基于PCap01的智能多段式電容汽包水位計(jì)設(shè)計(jì)

田海軍，張 鋆，張 鑫

TIAN Hai-jun1, ZHANG Jun1, ZHANG Xin2

（1.東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 132012；2.國(guó)電南瑞（北京）控制系統(tǒng)有限公司 開(kāi)發(fā)部，北京 100193）

0 引言

汽包水位是自然循環(huán)鍋爐運(yùn)行中重要的監(jiān)視參數(shù)，關(guān)系到電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。汽包水位過(guò)高，會(huì)使蒸汽的品質(zhì)惡化，嚴(yán)重時(shí)造成汽輪機(jī)水擊，汽包水位過(guò)低，會(huì)破壞鍋爐的水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)造成水冷壁大面積爆管；機(jī)組運(yùn)行中，工況變化大，汽包水位在鍋爐負(fù)荷突然增加時(shí)，表現(xiàn)為“逆響應(yīng)特性”，即“虛假水位[1]”現(xiàn)象，隨著鍋爐蒸發(fā)量的增加，汽包的容積相對(duì)變小，從正常水位到事故水位只需要十幾秒的時(shí)間，汽包內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，汽包內(nèi)各處不在同一水平面上，因此，準(zhǔn)確測(cè)量汽包水位，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，目前還沒(méi)有全程監(jiān)測(cè)汽包水位的方法。當(dāng)前汽包水位的檢測(cè)多采用多種儀表，多點(diǎn)檢測(cè)的方法。

目前用于汽包水位調(diào)節(jié)的傳感器主要是差壓式水位計(jì)[2]，但受汽包內(nèi)壓力變化，飽和水飽和蒸汽密度的變化影響及平衡容器內(nèi)溫度及密度影響，需要溫度，壓力補(bǔ)償，并且存在欠補(bǔ)償，及過(guò)補(bǔ)償問(wèn)題。市場(chǎng)上開(kāi)始逐步應(yīng)用電容液位計(jì)[3]，其中的電容檢測(cè)主要有振蕩法，充放電法，交流電橋法等。本文設(shè)計(jì)的基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的電容液位傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度壓力的自動(dòng)補(bǔ)償，解決了差壓式水位計(jì)的缺陷。

本文設(shè)計(jì)的多段式智能電容汽包水位計(jì)通過(guò)充放電[4]來(lái)測(cè)量微電容，傳感器的被測(cè)電容和參考電容被連接到同一個(gè)放電電阻, 組成一個(gè)低通濾波。放電時(shí)間被高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器所記錄下來(lái)。由于應(yīng)用同樣的電阻，避免溫度的改變對(duì)測(cè)量電容值的影響，采用被測(cè)電容與參考電容的比值作為結(jié)果，測(cè)量的周期時(shí)間在us級(jí)別，在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的電容值幾乎不變，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。它能夠解決常規(guī)差壓式液位傳感器的缺陷，由于整個(gè)電路不存在振蕩電路及充放電回路，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多路電容同時(shí)測(cè)量，避免了多路開(kāi)關(guān)的切換。使得電路簡(jiǎn)單化，實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的電容檢測(cè)結(jié)果通過(guò)SPI接口傳入ARM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算，最后使用兩線制輸出4mA～20mA信號(hào)，液位傳感器的調(diào)整及校驗(yàn)通過(guò)HART協(xié)議進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化。

1 多段式電容液位傳感器設(shè)計(jì)及其測(cè)量原理

多段式電容傳感器[5]，由兩個(gè)半徑為r1和r2的兩個(gè)筒狀極板構(gòu)成，外極筒作為一個(gè)整體。多段筒型電容結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

在外極筒靠近低端和頂端的部分，留有兩個(gè)進(jìn)液孔；內(nèi)極筒由多段相同的銅箔依次緊貼在絕緣管上構(gòu)成。每一段相互并聯(lián)，相互絕緣并獨(dú)立引線。為了與外極板絕緣，整個(gè)內(nèi)極板封裝在耐腐蝕、耐高溫、抗粘附的氟塑料管中。每組內(nèi)極板電極各自引出一條引線，外極板引出一條地線。相當(dāng)于從上至下形成了N個(gè)1/N量程的電容傳感器,每一段獨(dú)立檢測(cè)電容，從而得到整體的測(cè)量結(jié)果。多段式電容傳感器等效電路圖如圖2所示。

圖1 多段筒型電容結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 多段式電容傳感器等效電路圖

第i段電容值ci：

式中，h為每段極筒的高度；r1，r2為內(nèi)極筒外徑，外極筒內(nèi)徑；hx為被測(cè)液位高度；0ε 為空氣介電常數(shù)；ε為被測(cè)液體介電常數(shù)。可以看出液位跟電容值成線性關(guān)系，通過(guò)電容測(cè)量就可以得到液位值。

當(dāng)確定出液位所處的段后，即可求得總液位Hx：

式中Δ為各段間距，本設(shè)計(jì)中各段間距足夠小。

2 多段式智能液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本文的電容測(cè)量電路采用德國(guó)A C A M 公司的PCap01芯片。它是一款帶有單片機(jī)處理單元的專門(mén)進(jìn)行電容測(cè)量的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。由于該芯片采用了ACAM公司專利的PICOCAP測(cè)量原理，轉(zhuǎn)換時(shí)間的精度范圍最小可以達(dá)到2us，可以利用充放電時(shí)間原理[6]對(duì)電容進(jìn)行高精度測(cè)量。

PCap01芯片是采用放電時(shí)間原理實(shí)現(xiàn)電容測(cè)量。芯片提供了四個(gè)可以選擇的放電電阻，10KΩ、30KΩ、 90KΩ、180KΩ，它們適用于參考電容0～3.5nf。

本論文采用的參考電容值為47pf，所以選擇30KΩ的放電電阻。芯片還提供了一個(gè)重要參數(shù)充放電周期時(shí)間，由電容的一次充電時(shí)間和放電時(shí)間組成。這個(gè)參數(shù)的設(shè)置十分重要，一般應(yīng)該大于放電時(shí)間的兩倍。放電時(shí)間與傳感器和參考電容比值成比率關(guān)系：

式中 τN為被測(cè)電容放電時(shí)間， τref為參考電容放電時(shí)間，Cref為參考電容，CN為測(cè)量電容。通過(guò)放電時(shí)間的比值得到純的電容比率。精度為0.477%。

電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 PCaP01芯片電路圖

PCap01芯片與傳感器有四種連接方式：?jiǎn)我粋鞲衅鹘拥啬Ｊ剑瑔我粋鞲衅髌颇Ｊ剑罘謧鞲衅鹘拥啬Ｊ剑罘謧鞲衅髌颇Ｊ健Ｐ酒﹤鞲衅鬟B接的引腳為PC0-PC8，所以在接地模式中最多可以測(cè)量8路電容，在漂移模式最多可測(cè)量4路電容。本文采用單一傳感器，接地模式，PC0引腳接參考電容47pf，PC1～PC7引腳分別與傳感器的各段極板引出的引線連接。

電容測(cè)量不可避免的會(huì)產(chǎn)生噪聲和溫度漂移，PCap01芯片提供了兩種補(bǔ)償方式：漂移模式，內(nèi)部和外部的寄生電容同時(shí)補(bǔ)償；接地模式，內(nèi)部補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后，10pf的基礎(chǔ)電容在5Hz的測(cè)量頻率下誤差只有6af，達(dá)到了很高的精度。而且PCap01具有很高的測(cè)量頻率和超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

外部單片機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行控制，或者對(duì)芯片進(jìn)行編程的時(shí)候，芯片提供了SPI[7]和IIC兩種串行通信方式。但是每次通信僅有一種通信方式可以應(yīng)用，而且芯片兩種通信方式都只能作為“從機(jī)”。通信方式通過(guò)控制管腳“IIC_EN”的高低電平來(lái)選擇。本文采用SPI通信方式，將管腳IIC_EN連接到GND，4線SPI通信口開(kāi)啟，引腳SSN-PG0、SCK-SCL、MISO-PG1、MOSI-SDA引腳分別與STM32F103C8T6單片機(jī)引腳PA4～PA7連接，采用SPI1通訊方式對(duì)芯片進(jìn)行控制和編程。

PCap01提供了20個(gè)配置和參數(shù)寄存器和12讀寄存器：配置寄存器用來(lái)設(shè)置上面提到的參數(shù)放電電阻、充放電周期、傳感器接口等參數(shù)。參數(shù)寄存器設(shè)置了固件的數(shù)值，PCap01提供了標(biāo)準(zhǔn)固件03.01.xx，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)固件就可以進(jìn)行電容測(cè)量。所以參數(shù)寄存器一般不需要改動(dòng)，只需要根據(jù)自己的需要更改配置寄存器的參數(shù)即可。讀寄存器的內(nèi)容完全由固件所制定，讀寄存器的內(nèi)容包含電容測(cè)量的比率結(jié)果和測(cè)量狀態(tài)信息。通過(guò)SPI1通訊方式將讀寄存器的結(jié)果傳輸給STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，就可以得到每段的電容值。PCap01帶有4KB的OTP存儲(chǔ)空間，用戶可以將配置的參數(shù)寫(xiě)入OTP中，但是一旦寫(xiě)入就不能更改。所以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段應(yīng)該將參數(shù)寫(xiě)入到SRAM中。

2.2 多段式智能液位測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由七段電容傳感器，電容測(cè)量系統(tǒng)，SPI通訊單元，4Ma～20Ma環(huán)流AD單元，HART通訊單元等構(gòu)成。能夠全工況監(jiān)視汽包水位，并且對(duì)溫度以及液相、氣相介電常數(shù)變化進(jìn)行補(bǔ)償。多段式液位測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖4所示。

圖4 分段式液位測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖

變送器部分是智能液位計(jì)的核心部分，由電容測(cè)量電路和單片機(jī)構(gòu)成。本文采用的單片機(jī)為ARM32位的STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32系列單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。利用官方提供了庫(kù)文件，可以很容易完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。電容測(cè)量電路采用PCap01芯片及其外圍器件，PCap01測(cè)量待測(cè)傳感器各分段電容的電容值，并存入結(jié)果寄存器中。然后通過(guò)SPI通訊單元將電容測(cè)量結(jié)果傳給STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。

STM32F103C8T6單片機(jī)通過(guò)PC13～PC15引腳分別與AD421的CLOCK、DATA、LATCH引腳連接，將經(jīng)單片機(jī)處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸給AD421，AD421是一款完整的環(huán)路供電型4mA～20mA數(shù)字轉(zhuǎn)換器，專為滿足工業(yè)控制領(lǐng)域的需求而設(shè)計(jì)，具有16位的精度。AD單元將液位信息轉(zhuǎn)換為4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流，以供二次儀表或工業(yè)控制所用。

為了便于對(duì)液位計(jì)進(jìn)行調(diào)整和校驗(yàn)，本設(shè)計(jì)還帶有HART總線接口技術(shù)[8]。HART通信單元設(shè)計(jì)詳見(jiàn)下一節(jié)。

2.3 HART通信單元設(shè)計(jì)

HART協(xié)議是美國(guó)ROSEMOUNT公司推出的用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議[9]，HART技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)產(chǎn)的儀表HART協(xié)議應(yīng)用剛剛起步，使用HART協(xié)議可方便的實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的參數(shù)修改。HART通訊單元將數(shù)字信號(hào)疊加在4mA～20mA上，通過(guò)手持器或者上位機(jī)完成對(duì)液位計(jì)的組態(tài)和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

HART通信單元主要由DS8500HRT，AD421及其外圍電路構(gòu)成。其中，AD421將STM32F103C8T6單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA電流，輸出主要的測(cè)量結(jié)果。DS8500HRT接收疊加在4mA～20mA環(huán)路上的數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行帶通濾波和放大之后進(jìn)行載波檢測(cè)，如果檢測(cè)到FSK頻移鍵控信號(hào)[10]，則將1.2KHz信號(hào)解調(diào)為1,2.2KHz信號(hào)解調(diào)為0，并通過(guò)串口通信傳輸給STM32F103C8T6單片機(jī)。單片機(jī)接收到命令幀作出相應(yīng)的處理，然后通過(guò)串口發(fā)送應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DS8500HRT調(diào)制成相應(yīng)的1.2KHz和2.2KHz的FSK頻移鍵控信號(hào)，并經(jīng)過(guò)整形電路進(jìn)行波形整形后，疊加在AD421環(huán)路上發(fā)送。STM32F103C8T6單片機(jī)通過(guò)PA9，PA10，PA12分別與DS8500HRT的D_IN,D_OUT,RST引腳相連，PA9，PA10分別為STM32F103C8T6單片機(jī)的USART1_TX和USART1_RX引腳，通過(guò)程序控制PA12引腳的高低電平控制DS8500HRT處于調(diào)制和解調(diào)模式。當(dāng)PA12引腳為高電平時(shí)DS8500HRT處于解調(diào)模式，DS8500HRT從4mA～20mA環(huán)路上接收信號(hào)，通過(guò)帶通濾波和放大整形后提取出FSK信號(hào)并解調(diào)為數(shù)字信號(hào)傳給STM32F103C8T6單片機(jī)；當(dāng)PA12引腳為低電平時(shí)DS8500HRT處于調(diào)制模式，DS8500HRT接收STM32F103C8T6單片機(jī)發(fā)送的應(yīng)答幀，經(jīng)過(guò)調(diào)制和波形整形后耦合到AD421的C3引腳，通過(guò)AD421疊加到4mA～20mA環(huán)路上。

由于HART手持器價(jià)格昂貴，本文采用USB-HART調(diào)制解調(diào)器和上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議功能，HART通信電路如圖5所示。在4mA～20mA環(huán)路中串入250Ω的通信電阻，并將USB-HART調(diào)制解調(diào)器的兩個(gè)測(cè)試鉤接入電路中，通過(guò)HART上位機(jī)配置軟件，完成訪問(wèn)過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)和校準(zhǔn)信息等功能。

圖5 HART通信電路圖

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)采用七段式電容傳感器，每段長(zhǎng)度為70mm，為了對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，使用精度為0.1mm的防水貼尺緊貼在傳感器表面。將傳感器置入盛有沸水的圓筒容器中，為了避免傳感器對(duì)液位的影響，容器應(yīng)該足夠大。由于傳感器每段結(jié)構(gòu)相同，以第三段為例，每間隔2mm采集一次被測(cè)電容值和4mA～20mA模擬電流輸出值，繪制電容-液位曲線如圖6所示。

圖6 電容-液位曲線

圖中可以看出液位與被測(cè)電容成線性關(guān)系，進(jìn)一步求得靈敏度為0.15pf/mm。將測(cè)得4mA～20mA電流值換算成液位值與貼尺所示液位值進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明精度等級(jí)可以達(dá)到0.5，解決了傳統(tǒng)水位測(cè)量的溫度壓力補(bǔ)償問(wèn)題，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。HART通信測(cè)試表明HART通信單元可以完成量程上下限修改，4mA～20mA電流值、液位值、電容值等過(guò)程變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，4mA和20mA輸出電流值的校準(zhǔn)和微調(diào)等功能。

[1] 劉鑫屏,田亮,劉吉臻.鍋爐汽包虛假水位特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(32)：1-4.

[2] 程啟明,汪明媚,王映斐,等.火電廠鍋爐汽包水位測(cè)量技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 電站系統(tǒng)工程,2010,26(2)：5-8.

[3] 王英亮.分段式液位測(cè)量變送器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[4] 張曹龍.電容式液位計(jì)信號(hào)變換電路研究與設(shè)計(jì)[D].西安：電子科技大學(xué),2013.

[5] 張波.分段電容式液位測(cè)量的研究[D].大連：大連海事大學(xué),2010.

[6] YANG S X,YANG W Q.A portable stray-immune capacitance meter[J].Review of scientific Instuments,2010,73：1958-1961

[7] 鄧國(guó)榮.基于STM32 SPI接口的M25P80 FLASH的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電信息,2013,6：1-2.

[8] 孫明革,關(guān)波,徐松梅.HART智能儀表通用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),2014,31(3)：56-57.

[9] 李超,安國(guó)臣,沙占友.基于HART協(xié)議的智能溫度變送器的硬件設(shè)計(jì)[J]：儀表技術(shù)與傳感器,2008,5：55-57.

[10] 薛靜云.基于HART協(xié)議的智能壓力變送器的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué),2013.