蔡成濤,鄭 佳,韓光照

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第703研究所，哈爾濱 150078)

多段電容式鍋爐液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡成濤1,鄭 佳1,韓光照2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第703研究所，哈爾濱 150078)

由于傳統(tǒng)的鍋爐汽包水位測(cè)量多采用差壓式水位計(jì)、云母水位計(jì)等方法，測(cè)量過(guò)程中存在汽水分界面不明顯，需要溫度、壓力補(bǔ)償及投入麻煩等缺陷，為解決上述問(wèn)題，提出了一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)專用芯片Pcap01的智能多段式液位測(cè)量系統(tǒng)，并且應(yīng)用HART通訊單元訪問(wèn)傳感器的測(cè)量過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)等信息；對(duì)多段電容式液位測(cè)量系統(tǒng)的總體方案、傳感器設(shè)計(jì)、電容測(cè)量電路、HART通訊電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，同時(shí)設(shè)計(jì)了HART通訊軟件和液位測(cè)量采集軟件；對(duì)所設(shè)計(jì)的多段電容式鍋爐液位測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，該液位計(jì)精度高、操作簡(jiǎn)單方便，解決了傳統(tǒng)液位測(cè)量的缺陷，可以滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)要求。

汽包水位；多段電容；液位測(cè)量；電容式傳感器

0 引言

鍋爐汽包水位是現(xiàn)代火電廠鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)非常重要的監(jiān)控參數(shù)，維持汽包水位是保持汽機(jī)和鍋爐安全運(yùn)行的必要條件。水位過(guò)高或過(guò)低都會(huì)引起水汽品質(zhì)的惡化甚至造成事故。水位過(guò)高，會(huì)影響汽包水位分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過(guò)多而使過(guò)熱器管壁結(jié)垢，引起過(guò)熱器損壞。同時(shí)還會(huì)使過(guò)熱汽溫急劇變化，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。水位過(guò)低，可能導(dǎo)致水循環(huán)破壞，引起水冷壁燒壞[1]。鍋爐汽包的正常水位，一般在汽包中心線下100～200 mm。汽包內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，汽包內(nèi)液位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，目前能全程使用的汽包水位計(jì)還很少。當(dāng)前汽包水位的監(jiān)測(cè)多采用多種儀表多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法。

差壓式汽包水位計(jì)在火電生產(chǎn)過(guò)程中是應(yīng)用最為普遍的一種水位計(jì)，它是靜壓式液位測(cè)量?jī)x表，廣泛應(yīng)用于汽包水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[2]。但受汽包內(nèi)壓力變化，飽和水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。本文提出基于電容數(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。

提出的五段式智能電容汽包水位計(jì)利用充放電來(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)量電容值得影響，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[3]。它能夠解決常規(guī)差壓式液位傳感器的缺陷，由于整個(gè)電路不存在震蕩電路及放電回路，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4～20 mA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 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

五段式智能液位測(cè)量系統(tǒng)由五段電容傳感器，電容測(cè)量系統(tǒng)，SPI通訊單元，4～20 mA環(huán)流AD單元，HART通訊單元等構(gòu)成。傳感器通過(guò)PC0～PC5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，通過(guò)SPI通訊單元將電容測(cè)量結(jié)果傳到STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，STM32單片機(jī)的PC13～PC15引腳分別與AD421的DATA、CLOCK、LATCH引腳連接，可以將處理后的數(shù)據(jù)傳給AD421能通過(guò)4～20mA電流回路來(lái)解調(diào)，用DS8500進(jìn)行相應(yīng)的處理進(jìn)行調(diào)制數(shù)據(jù)給AD421或者STM32F103C8T6單片機(jī)能對(duì)DS8500進(jìn)行控制其狀態(tài)是解調(diào)還是調(diào)制。能夠方便實(shí)現(xiàn)對(duì)汽包液位的全程液位檢測(cè)，并且對(duì)溫度及液相、氣相介電常數(shù)變化進(jìn)行補(bǔ)償。五段式液位測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 分段式液位測(cè)量系統(tǒng)的整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 多段式電容液位傳感器設(shè)計(jì)

多段式電容傳感器，由兩個(gè)半徑不同的筒狀極板構(gòu)成，外極筒作為一個(gè)整體。多段筒形電容結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路如圖2所示。在外極筒靠近底端和頂端的部分，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。

圖2 多段筒形電容結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路

第i段電容值ci:

(1)

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；ε0為空氣介電常數(shù)；ε為被測(cè)液體介電常數(shù)?？梢钥闯鲆何桓娙葜党删€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：

(2)

式中,Δ為各段間距，本設(shè)計(jì)中各段間距足夠小。

2.2 電容測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)電容式傳感器的研究，提出了采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片PCap01來(lái)測(cè)量電路電容值。德國(guó)acam公司專利的PICOCAP測(cè)量原理給電容測(cè)量提供了革命性的突破[4]。它的內(nèi)部帶有DSP單片機(jī)處理單元，這顆芯片提供了對(duì)于高精度測(cè)量，低功耗測(cè)量以及快速測(cè)量應(yīng)用的完美結(jié)合，利用充放電時(shí)間原理，轉(zhuǎn)換時(shí)間的精度范圍最少可達(dá)到2 μs。傳感器數(shù)據(jù)可以在芯片內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)行校準(zhǔn)，外部單片機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行控制或編程時(shí)，芯片提供了SPI和IIC兩種串行通訊方式，但是每次通信僅能應(yīng)用其中一種傳輸方式，而且芯片兩種通信方式都只能作為“從機(jī)”。通訊方式通過(guò)控制引腳“IIC-EN”的高低電平來(lái)選擇，本文選用SPI通訊方式對(duì)芯片進(jìn)行控制和編程，將IIC-EN引腳連接到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。

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。通過(guò)補(bǔ)償后的電容值，10 pf的基礎(chǔ)電容在5 Hz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)。

PCap01芯片與傳感器有四種連接方式：?jiǎn)我粋鞲衅鹘拥啬Ｊ健我粋鞲衅髌颇Ｊ?、差分傳感器接地模式、差分傳感器漂移模式[5]。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(cè)量8路電容，漂移模式中最多可以測(cè)量4路電容。本次實(shí)驗(yàn)選用單一傳感器接地模式，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)量電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 PCap01芯片電路圖

2.3 HART通信單元設(shè)計(jì)

HART協(xié)議是美國(guó)ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議[7]。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。雖然HART協(xié)議只是一種由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡協(xié)議，但是由于HART協(xié)議是唯一向后兼容的智能儀表解決方案，即它可以在提供現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)越性的同時(shí)，保留著4～20 mA系統(tǒng)的兼容性[8]，并通過(guò)手持器或上位機(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4～20 mA電流，輸出主要的測(cè)量結(jié)果。AD421電路圖設(shè)計(jì)如圖4所示。DS8500HRT接收疊加在4～20 mA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)行濾波檢測(cè)，如果檢測(cè)到FSK頻移鍵控信號(hào)，則將1.2 kHz信號(hào)解調(diào)為1，2.2 kHz信號(hào)解調(diào)為0，并通過(guò)串口通信傳輸給STM32F103C8T6單片機(jī)[9]。STM32F103C8T6電路圖如圖5所示。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1.2 kHz和2.2 kHz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4～20 mA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4～20 mA環(huán)路上。

由于HART手持器價(jià)格昂貴，可以采用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6所示。在4～20 mA環(huán)路中串入250 Ω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4 AD421電路圖設(shè)計(jì)

圖5 STM32F103C8T6電路圖

圖6 HART通信單元電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是HART協(xié)議通信程序設(shè)計(jì)，另一部分是液位測(cè)量程序設(shè)計(jì)。

3.1 HART通信程序設(shè)計(jì)

HART通信程序完成了HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及層間接口的程序設(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。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART協(xié)議通信幀格式，通信幀格式包括前導(dǎo)符、定界符、地址、擴(kuò)展字節(jié)、命令、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)字節(jié)。

前導(dǎo)符是5～20個(gè)0XFF字符，前導(dǎo)符是為了使數(shù)據(jù)接收端在硬件電路上產(chǎn)生OCD載波檢測(cè)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的同步。定界符用來(lái)表示數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)拈_(kāi)始，并指明數(shù)據(jù)的傳輸方向(主從、從主)、物理層類型(異步、同步)，同時(shí)它也指定了數(shù)據(jù)幀的幀類型(長(zhǎng)幀、短幀)。地址包括主機(jī)地址和從機(jī)地址，分為長(zhǎng)幀和短幀兩種類型，短幀為一個(gè)字節(jié)，長(zhǎng)幀為5個(gè)字節(jié)。命令表明了一個(gè)數(shù)據(jù)幀要具體實(shí)現(xiàn)的功能，命令分為通用命令、普通命令和特殊命令三類。數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)表示發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)包括根據(jù)具體命令發(fā)送或接收的參數(shù)內(nèi)容和響應(yīng)碼。校驗(yàn)字節(jié)是為了保證通信的正確性，從定界符到數(shù)據(jù)的所有字節(jié)的“異或”值。

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)度和工作模式等參數(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)，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單片機(jī)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4～20 mA環(huán)路中[10]。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。HART通信程序流程圖如圖7所示。

圖7 HART通信程序流程圖

3.2 液位測(cè)量程序設(shè)計(jì)

液位測(cè)量程序如圖8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SPI1通訊參數(shù)和初始化USART1等。若初始化未完成會(huì)返回重新進(jìn)行初始化，若初始化完成，單片機(jī)會(huì)通過(guò)SPI通訊方式向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～PC5腳處于測(cè)量模式，充放電周期為280 μs，選擇250 Ω充放電電阻，操作完成之后，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)化為實(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4～20 mA電流信號(hào)，然后繼續(xù)返回電容測(cè)量。

圖8 液位測(cè)量流程圖

4 試驗(yàn)及結(jié)果

由于采用的是五段式電容傳感器，所以只需用到Pcap01芯片測(cè)量引腳中的PC0到PC5。選取每段傳感器長(zhǎng)度為60 mm，將傳感器置入到盛有沸水的圓筒容器中，為了避免傳感器對(duì)液位值的影響，容器應(yīng)選擇的足夠大，使用精度為0.2 mm的防水貼尺緊貼在傳感器表面。由于每段傳感器的結(jié)構(gòu)是完全相同的，以第一段為例，每隔5 mm采集一次被測(cè)電容值和4～20 mA模擬電流輸出值。將測(cè)得4～20 mA電流值換算成液位值與貼尺所示液位值進(jìn)行比對(duì)。繪制電容-液位曲線如圖9所示，液位值與被測(cè)電容值成線性關(guān)系。HART通信測(cè)試表明通過(guò)HART單元可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸出電流值的校準(zhǔn)。

圖9 電容-液位關(guān)系圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電容式液位傳感器的研究，所提出的智能液位計(jì)，采用多段式電容傳感器，該電容傳感器響應(yīng)速度快，能較為準(zhǔn)確的顯示出液位的變化值且不需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鍋爐液位測(cè)量的缺陷，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。

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Multiple-Segment Capacitance Liquid Level Meter

Cai Chengtao1，Zheng Jia1，Han Guangzhao2

(1.College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2.No.703 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation, Harbin 150078, China)

Due to the traditional boiler drum water level measurement using differential pressure type water level gauge, gauge mica method, the measurement process exists soda interface is not obvious, need temperature and pressure compensation. In order to solve the above problems, put forward a based on capacitance to digital conversion technology special Pcap01 intelligent multi segment type liquid level measuring system, and the application of HART communication unit access to sensor measuring process parameters, equipment configuration, calibration and other information. The overall scheme, sensor design, capacitance measurement circuit and HART communication circuit are described in detail, and the HART communication software and liquid level measurement and acquisition software are designed. Through the test of the design of the multiple - segment condenser boiler liquid level measuring system, the liquid level meter has high precision and convenient operation, which can solve the defects of traditional liquid level measurement, and can meet the actual requirements of the field.

drum water level; multi section capacitor; liquid level measurement; capacitive sensor

2015-12-14；

2016-02-24。

蔡成濤(1980-)，男，河南開(kāi)封人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0035-04

：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A