田海軍，張 鋆，張 鑫

TIAN Hai-jun1, ZHANG Jun1, ZHANG Xin2

（1.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 132012；2.國電南瑞（北京）控制系統(tǒng)有限公司 開發(fā)部，北京 100193）

0 引言

汽包水位是自然循環(huán)鍋爐運行中重要的監(jiān)視參數(shù)，關(guān)系到電廠的安全經(jīng)濟(jì)運行。汽包水位過高，會使蒸汽的品質(zhì)惡化，嚴(yán)重時造成汽輪機水擊，汽包水位過低，會破壞鍋爐的水循環(huán)，嚴(yán)重時造成水冷壁大面積爆管；機組運行中，工況變化大，汽包水位在鍋爐負(fù)荷突然增加時，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，汽包的容積相對變小，從正常水位到事故水位只需要十幾秒的時間，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)確測量汽包水位，具有重要的應(yīng)用價值，目前還沒有全程監(jiān)測汽包水位的方法。當(dāng)前汽包水位的檢測多采用多種儀表，多點檢測的方法。

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[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，壓力補償，并且存在欠補償，及過補償問題。市場上開始逐步應(yīng)用電容液位計[3]，其中的電容檢測主要有振蕩法，充放電法，交流電橋法等。本文設(shè)計的基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的電容液位傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度壓力的自動補償，解決了差壓式水位計的缺陷。

本文設(shè)計的多段式智能電容汽包水位計通過充放電[4]來測量微電容，傳感器的被測電容和參考電容被連接到同一個放電電阻, 組成一個低通濾波。放電時間被高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器所記錄下來。由于應(yīng)用同樣的電阻，避免溫度的改變對測量電容值的影響，采用被測電容與參考電容的比值作為結(jié)果，測量的周期時間在us級別，在測量時間段內(nèi)的電容值幾乎不變，保證了測量的準(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)多路電容同時測量，避免了多路開關(guān)的切換。使得電路簡單化，實現(xiàn)了傳感器的微型化。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的電容檢測結(jié)果通過SPI接口傳入ARM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運算，最后使用兩線制輸出4mA～20mA信號，液位傳感器的調(diào)整及校驗通過HART協(xié)議進(jìn)行，從而實現(xiàn)了傳感器的智能化。

1 多段式電容液位傳感器設(shè)計及其測量原理

多段式電容傳感器[5]，由兩個半徑為r1和r2的兩個筒狀極板構(gòu)成，外極筒作為一個整體。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)，相互絕緣并獨立引線。為了與外極板絕緣，整個內(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1/N量程的電容傳感器,每一段獨立檢測電容，從而得到整體的測量結(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為被測液位高度；0ε 為空氣介電常數(shù)；ε為被測液體介電常數(shù)?？梢钥闯鲆何桓娙葜党删€性關(guān)系，通過電容測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)計中各段間距足夠小。

2 多段式智能液位測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電容測量電路設(shè)計

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

PCap01芯片是采用放電時間原理實現(xiàn)電容測量。芯片提供了四個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。芯片還提供了一個重要參數(shù)充放電周期時間，由電容的一次充電時間和放電時間組成。這個參數(shù)的設(shè)置十分重要，一般應(yīng)該大于放電時間的兩倍。放電時間與傳感器和參考電容比值成比率關(guān)系：

式中 τN為被測電容放電時間， τref為參考電容放電時間，Cref為參考電容，CN為測量電容。通過放電時間的比值得到純的電容比率。精度為0.477%。

電容測量電路設(shè)計如圖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：單一傳感器接地模式，單一傳感器漂移模式，差分傳感器接地模式，差分傳感器漂移模式。芯片供傳感器連接的引腳為PC0-PC8，所以在接地模式中最多可以測量8路電容，在漂移模式最多可測量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。

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

外部單片機對芯片進(jìn)行控制，或者對芯片進(jìn)行編程的時候，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”。通信方式通過控制管腳“IIC_EN”的高低電平來選擇。本文采用SPI通信方式，將管腳IIC_EN連接到GND，4線SPI通信口開啟，引腳SSN-PG0、SCK-SCL、MISO-PG1、MOSI-SDA引腳分別與STM32F103C8T6單片機引腳PA4～PA7連接，采用SPI1通訊方式對芯片進(jìn)行控制和編程。

PCap01提供了20個配置和參數(shù)寄存器和12讀寄存器：配置寄存器用來設(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，運用標(biāo)準(zhǔn)固件就可以進(jìn)行電容測量。所以參數(shù)寄存器一般不需要改動，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)容包含電容測量的比率結(jié)果和測量狀態(tài)信息。通過SPI1通訊方式將讀寄存器的結(jié)果傳輸給STM32F103C8T6單片機進(jìn)行運算處理，就可以得到每段的電容值。PCap01帶有4KB的OTP存儲空間，用戶可以將配置的參數(shù)寫入OTP中，但是一旦寫入就不能更改。所以在產(chǎn)品開發(fā)階段應(yīng)該將參數(shù)寫入到SRAM中。

2.2 多段式智能液位測量系統(tǒng)的整體設(shè)計

系統(tǒng)由七段電容傳感器，電容測量系統(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，并且對溫度以及液相、氣相介電常數(shù)變化進(jìn)行補償。多段式液位測量系統(tǒng)的組成框圖如圖4所示。

圖4 分段式液位測量系統(tǒng)的組成框圖

變送器部分是智能液位計的核心部分，由電容測量電路和單片機構(gòu)成。本文采用的單片機為ARM32位的STM32F103C8T6單片機。STM32系列單片機具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點。利用官方提供了庫文件，可以很容易完成產(chǎn)品開發(fā)。電容測量電路采用PCap01芯片及其外圍器件，PCap01測量待測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SPI通訊單元將電容測量結(jié)果傳給STM32F103C8T6單片機進(jìn)行運算處理。

STM32F103C8T6單片機通過PC13～PC15引腳分別與AD421的CLOCK、DATA、LATCH引腳連接，將經(jīng)單片機處理過的數(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，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。

為了便于對液位計進(jìn)行調(diào)整和校驗，本設(shè)計還帶有HART總線接口技術(shù)[8]。HART通信單元設(shè)計詳見下一節(jié)。

2.3 HART通信單元設(shè)計

HART協(xié)議是美國ROSEMOUNT公司推出的用于現(xiàn)場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)議可方便的實現(xiàn)相應(yīng)的參數(shù)修改。HART通訊單元將數(shù)字信號疊加在4mA～20mA上，通過手持器或者上位機完成對液位計的組態(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單片機處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA電流，輸出主要的測量結(jié)果。DS8500HRT接收疊加在4mA～20mA環(huán)路上的數(shù)字信號，對其進(jìn)行帶通濾波和放大之后進(jìn)行載波檢測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號[10]，則將1.2KHz信號解調(diào)為1,2.2KHz信號解調(diào)為0，并通過串口通信傳輸給STM32F103C8T6單片機。單片機接收到命令幀作出相應(yīng)的處理，然后通過串口發(fā)送應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號通過DS8500HRT調(diào)制成相應(yīng)的1.2KHz和2.2KHz的FSK頻移鍵控信號，并經(jīng)過整形電路進(jìn)行波形整形后，疊加在AD421環(huán)路上發(fā)送。STM32F103C8T6單片機通過PA9，PA10，PA12分別與DS8500HRT的D_IN,D_OUT,RST引腳相連，PA9，PA10分別為STM32F103C8T6單片機的USART1_TX和USART1_RX引腳，通過程序控制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DS8500HRT處于解調(diào)模式，DS8500HRT從4mA～20mA環(huán)路上接收信號，通過帶通濾波和放大整形后提取出FSK信號并解調(diào)為數(shù)字信號傳給STM32F103C8T6單片機；當(dāng)PA12引腳為低電平時DS8500HRT處于調(diào)制模式，DS8500HRT接收STM32F103C8T6單片機發(fā)送的應(yīng)答幀，經(jīng)過調(diào)制和波形整形后耦合到AD421的C3引腳，通過AD421疊加到4mA～20mA環(huán)路上。

由于HART手持器價格昂貴，本文采用USB-HART調(diào)制解調(diào)器和上位機來實現(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)器的兩個測試鉤接入電路中，通過HART上位機配置軟件，完成訪問過程參數(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

實驗采用七段式電容傳感器，每段長度為70mm，為了對其進(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電容成線性關(guān)系，進(jìn)一步求得靈敏度為0.15pf/mm。將測得4mA～20mA電流值換算成液位值與貼尺所示液位值進(jìn)行比對，結(jié)果表明精度等級可以達(dá)到0.5，解決了傳統(tǒng)水位測量的溫度壓力補償問題，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。HART通信測試表明HART通信單元可以完成量程上下限修改，4mA～20mA電流值、液位值、電容值等過程變量的實時監(jiān)測，4mA和20mA輸出電流值的校準(zhǔn)和微調(diào)等功能。

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