田海軍 張 鋆 王 健

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

汽包水位是自然循環(huán)鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一。汽包水位過(guò)高或過(guò)低時(shí)，都會(huì)破壞鍋爐的水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆管等重大事故，所以準(zhǔn)確測(cè)量汽包水位具有重要意義。由于汽包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行工況變化大，目前還沒(méi)有全工況監(jiān)測(cè)汽包水位的方法?，F(xiàn)在電廠中多采用多種儀表、多點(diǎn)檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)量汽包水位，主要使用差壓式水位計(jì)、云母水位計(jì)和電接點(diǎn)水位計(jì)，但它們都存在一些缺陷[1]。為解決這些問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于HART協(xié)議的智能多段式電容汽包液位計(jì)，通過(guò)精確測(cè)量各段傳感器的電容值，得到實(shí)時(shí)液位值，最終結(jié)果通過(guò)兩線制輸出4～20mA校準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了汽包液位的全工況測(cè)量，并且支持HART通信協(xié)議，可以方便地實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的組態(tài)、監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)功能。

HART協(xié)議是一種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議[2]，現(xiàn)場(chǎng)總線是目前國(guó)際過(guò)控領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表完成實(shí)時(shí)監(jiān)控和校準(zhǔn)。但是現(xiàn)在工廠中的儀表大部分還保留4～20mA的模擬信號(hào)，在模擬設(shè)備向數(shù)字設(shè)備過(guò)渡的現(xiàn)階段，HART協(xié)議作為一種開(kāi)放性協(xié)議，可以同時(shí)兼容數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。

智能多段式電容液位計(jì)主要由七段式電容液位傳感器、高精度電容測(cè)量電路、STM32F103C8T6單片機(jī)、4～20mA電流輸出和HART通信單元構(gòu)成。

七段式電容液位傳感器用來(lái)將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成各段傳感器對(duì)應(yīng)的電容值，高精度電容測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)各段電容值的同時(shí)、準(zhǔn)確被測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果傳送給STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到實(shí)時(shí)的液位值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器AD421轉(zhuǎn)換成連續(xù)的4～20mA電流信號(hào)， HART通信單元用來(lái)實(shí)現(xiàn)4～20mA電流環(huán)路中FSK數(shù)字信號(hào)的發(fā)送和接收，通過(guò)HART手持器或者在控制室就可以方便地完成對(duì)液位計(jì)的組態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 七段式電容液位傳感器設(shè)計(jì)

七段式電容傳感器[3]結(jié)構(gòu)如圖1所示，由外極筒和內(nèi)極筒構(gòu)成。不銹鋼外殼作為整體構(gòu)成外極筒，為了使被測(cè)液體能夠順利進(jìn)入兩極筒間，在靠近外極筒底端和頂端部分留有兩個(gè)進(jìn)液孔。內(nèi)極筒由7段相同的銅箔電極粘貼在電木上構(gòu)成，外極筒和每段銅箔電極各引出一條導(dǎo)線與傳感器接線盒相連，8條導(dǎo)線就可以很方便地測(cè)量各段電容值，為了避免寄生電容并適應(yīng)惡劣的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)中采用耐高溫的屏蔽導(dǎo)線。由于水是良好的導(dǎo)體，為了使外極筒和內(nèi)極筒絕緣，內(nèi)極筒的銅箔電極外部套有耐高溫和耐腐蝕的聚四氟乙烯絕緣層，傳感器接線盒用來(lái)放置數(shù)字信號(hào)處理電路板，接線盒的一側(cè)采用航空插頭增加電路的抗干擾能力，為了使接線盒防水，傳感器接線盒頂部也設(shè)置有傳感器上蓋。

圖1 七段式電容傳感器結(jié)構(gòu)

七段式電容傳感器相當(dāng)于從上至下形成了7個(gè)1/7量程的電容傳感器，各段獨(dú)立檢測(cè)電容，從而得到整體的測(cè)量結(jié)果[4]。

多段式電容傳感器，不但具有耐高溫、耐腐蝕及成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且由于采用了多段式結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于縮短了檢測(cè)量程，提高了檢測(cè)分辨率和精度，自帶量程基準(zhǔn)(段長(zhǎng))、零點(diǎn)基準(zhǔn)(空介質(zhì)段)和滿(mǎn)值基準(zhǔn)(滿(mǎn)介質(zhì)段)，為實(shí)現(xiàn)在線自標(biāo)定校正功能提供了依據(jù)。

2.2 高精度電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電容測(cè)量電路采用PCap01高精度電容測(cè)量芯片，測(cè)量電容精度可以達(dá)到af級(jí)，而且芯片帶有單片機(jī)處理單元來(lái)完成電容數(shù)字轉(zhuǎn)換。

PCap01芯片電容測(cè)量單元原理如圖2所示。芯片內(nèi)部集成了RC充放電電路[5]，為了提高測(cè)量精度，芯片輸出的最終結(jié)果不是被測(cè)電容值，而是被測(cè)電容與參考電容的比值。PC0引腳接47pF的參考電容，PC1～PC7引腳分別與各段傳感器的引線相連。PCap01芯片提供了可供選擇的4個(gè)不同阻值的充放電電阻(單位：kΩ)，可以通過(guò)設(shè)置芯片的配置寄存器參數(shù)來(lái)選擇，選擇完成后，芯片內(nèi)部會(huì)將被測(cè)電容和參考電容連接到這同一個(gè)充放電電阻。由于采用相同的充放電電阻和比值輸出，克服了溫度和壓力改變對(duì)電容測(cè)量值的影響。

圖2 PCap01芯片電容測(cè)量單元原理

由于電容值的大小與放電時(shí)間成正比關(guān)系，PCap01芯片集成了高精度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，可以精確記錄放電時(shí)間，精度可以達(dá)到2μs，然后經(jīng)哈佛結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號(hào)處理器處理之后得到電容比值，完成電容數(shù)字轉(zhuǎn)換，精度可以達(dá)到0.477%，最后將電容比值存儲(chǔ)在結(jié)果寄存器中。為了使電容能夠完成完整的充放電過(guò)程，充放電周期參數(shù)的設(shè)置非常重要，需要將芯片配置寄存器的充放電周期參數(shù)設(shè)置的足夠大。

最后通過(guò)SPI通信接口技術(shù)將結(jié)果寄存器的測(cè)量結(jié)果傳送給STM32單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和擬合。由于采用電容單芯片測(cè)量方案，避免了搭建充放電電路和使用切換開(kāi)關(guān)[6]，提高了電路的穩(wěn)定性和精度，實(shí)現(xiàn)了各段傳感器電容值的同時(shí)測(cè)量。

2.3 HART通信單元設(shè)計(jì)

HART協(xié)議是美國(guó)Rosemount公司開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議[7]， HART通信單元由AD421芯片、STM32單片機(jī)和DS8500芯片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了HART協(xié)議的物理層設(shè)計(jì)[8]。AD421是一款用于工業(yè)控制領(lǐng)域的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，用來(lái)將單片機(jī)傳輸?shù)囊何恍盘?hào)轉(zhuǎn)換為工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)。為了減少數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，將AD421的CLOCK、DATA、LATCH引腳通過(guò)ADuM1310磁耦芯片隔離之后，分別與STM32單片機(jī)的PC13～PC15引腳相連。AD421的C1～C3引腳外接電容用來(lái)濾波，為了得到精確的HART波形，C1～C3引腳的外接電容值分別置為0.01、0.50、0.16μF。

DS8500芯片是一款用于HART通信的單芯片調(diào)制解調(diào)器。DS8500及其外圍器件電路圖如圖3所示。DS8500芯片的RTS引腳與STM32單片機(jī)的PA12引腳連接，通過(guò)編程輸出高低電平來(lái)控制DS8500處于調(diào)制或解調(diào)模式，引腳 D_IN和D_OUT分別為數(shù)字輸入和輸出引腳，分別與STM32單片機(jī)的USART1引腳PA9(Tx)和PA10(Rx)對(duì)應(yīng)連接。FSK_IN為HART信號(hào)的接收引腳，為了能夠從模擬信號(hào)中準(zhǔn)確提取HART信號(hào)，R10和C34構(gòu)成一個(gè)截止頻率為10kHz的低通濾波器，R13和C32構(gòu)成一個(gè)截止頻率為480Hz的高通濾波器，F(xiàn)SK_IN引腳與24V電源正極相連。FSK_OUT為HART信號(hào)的發(fā)送引腳，為了使HART輸出信號(hào)穩(wěn)定，使用MAX4040EUK增益放大器芯片將HART信號(hào)進(jìn)一步放大，最后經(jīng)過(guò)C39連接到AD421的C3引腳，通過(guò)AD421將HART信號(hào)疊加到4～20mA電流環(huán)路中。

圖3 DS8500芯片及其外圍器件電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一部分是液位測(cè)量程序設(shè)計(jì)，另一部分是HART協(xié)議通信程序設(shè)計(jì)。

液位測(cè)量程序流程如圖4所示，首先對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括初始化IO接口、設(shè)置SPI通信參數(shù)及初始化USART1等。然后通過(guò)SPI通信方式向PCap01發(fā)送復(fù)位信號(hào)，初始化PCap01芯片，操作配置寄存器，使PC1～PC7引腳處于測(cè)量模式，充放電周期設(shè)置為280μs，選擇30kΩ的充放電電阻，操作完成后，開(kāi)始電容測(cè)量，待測(cè)量完成之后，將測(cè)量結(jié)果傳送給STM32單片機(jī)，單片機(jī)將電容比值經(jīng)過(guò)處理和擬合之后轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)液位值，然后將液位值變?yōu)?6位的數(shù)字量傳給AD421輸出4～20mA電流信號(hào)。

圖4 液位測(cè)量程序流程

HART協(xié)議通信程序流程如圖5所示，完成了HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層[9]、應(yīng)用層[10]和層間接口的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了HART信號(hào)的接收、解析、響應(yīng)和發(fā)送，并開(kāi)發(fā)了用于各段校準(zhǔn)的特殊命令。由于采用USART1完成數(shù)字字節(jié)的傳輸，所以單片機(jī)初始化時(shí)應(yīng)包括通信速率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及工作模式等參數(shù)設(shè)置，并開(kāi)啟USART1接收中斷，PA12引腳設(shè)置為高電平，使DS8500芯片處于接收HART信號(hào)狀態(tài)。當(dāng)DS8500芯片接收到HART信號(hào)時(shí)，將其解調(diào)成0、1數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)USART1傳送給STM32單片機(jī)，STM32接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)入串口接收中斷，接收命令幀數(shù)據(jù)。進(jìn)而對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向奇校驗(yàn)，如果正確，則按照HART協(xié)議的通信幀格式，解析命令幀，根據(jù)命令幀相應(yīng)的命令形成應(yīng)答幀，然后將PA12引腳設(shè)置為低電平，使DS8500芯片處于發(fā)送HART信號(hào)狀態(tài)，STM32單片機(jī)通過(guò)USART1將應(yīng)答幀傳送給DS8500芯片，經(jīng)DS8500芯片調(diào)制成FSK信號(hào)之后加載到4～20mA環(huán)路中。當(dāng)發(fā)送完成之后，再次進(jìn)入接收狀態(tài)，等待下一條命令。

圖5 HART通信程序流程

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

液位計(jì)各段長(zhǎng)度為70mm，傳感器外壁貼有0.1mm精度的防水貼尺，用來(lái)標(biāo)定真實(shí)液位值。將液位計(jì)放入透明測(cè)量筒中，為了消除液位計(jì)插入水中時(shí)對(duì)水位的影響，測(cè)量筒的直徑應(yīng)足夠大，為了使實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確，采用向測(cè)量筒中滴加水的方式，每間隔2mm記錄液位計(jì)電流輸出值和液位真實(shí)值，并使用仿真器記錄PCap01芯片對(duì)應(yīng)的電容測(cè)量值，由于各段大致相同，以第四段為例，繪制液位-電流曲線如圖6所示，可以看到線性良好，與理論吻合，由于電容傳感器存在制造誤差，液位測(cè)量值有較小的波動(dòng)，誤差小于3mm，精度為0.5級(jí)，符合設(shè)計(jì)要求。

在4～20mA電流環(huán)路中，串入300Ω左右的通信電阻，將USB-HART調(diào)制解調(diào)器的兩個(gè)無(wú)極性測(cè)試鉤，勾在電阻兩端，通過(guò)上位機(jī)軟件和液位計(jì)通信，完成HART通信測(cè)試，結(jié)果表明HART通信單元實(shí)現(xiàn)了量程上下限調(diào)整，各段傳感器校準(zhǔn)和對(duì)液位值、電容值等變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。

圖6 液位-電流曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的智能多段式電容液位計(jì)克服了差壓式水位計(jì)等傳統(tǒng)水位計(jì)測(cè)量汽包水位存在的缺陷，并解決了溫度壓力補(bǔ)償問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了汽包水位的全工況測(cè)量。精度可以達(dá)到0.5級(jí)，滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。

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