鍋爐多路風壓風速監(jiān)測儀的設計與應用

1、    鍋爐多路風壓風速監(jiān)測儀的設計與應用1引言風量和煤粉的均勻分配是保障工業(yè)燃煤鍋爐安全和經(jīng)濟運行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的燃燒狀態(tài)可有效避免爐內(nèi)火焰中心偏移、防止爐鏜兩側溫差過大、降低能耗及提高設備的使用壽命。因此，采用科學的方法，較為精確的實時監(jiān)控各噴燃器入口的風速、風壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟運行的必備前提。在鍋爐實際運行中，由于受測量手段等諸多因素的影響，目前國內(nèi)電廠對工業(yè)燃煤鍋爐一、二次風1 引 言風量和煤粉的均勻分配是保障工業(yè)燃煤鍋爐安全和經(jīng)濟運行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的

2、燃燒狀態(tài)可有效避免爐內(nèi)火焰中心偏移、防止爐鏜兩側溫差過大、降低能耗及提高設備的使用壽命。因此，采用科學的方法，較為精確的實時監(jiān)控各噴燃器入口的風速、風壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟運行的必備前提。在鍋爐實際運行中，由于受測量手段等諸多因素的影響，目前國內(nèi)電廠對工業(yè)燃煤鍋爐一、二次風速的檢測普遍采用靜壓測量方式，因此不能正確反映一、二次風管內(nèi)的風速等狀況；此外，由于在單位時間內(nèi)，進入噴燃器的風量不僅取決于壓力，還與風速、溫度有著密切的關系，增加了測量難度。傳統(tǒng)的鍋爐參數(shù)測量多采用單通道、專門功能的計量儀表，不能滿足多通道的綜合檢測、集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)比較分析的需要。本設計采用低成本的單片機和外圍

3、監(jiān)測電路，實現(xiàn)對工業(yè)燃煤鍋爐多通道風壓、風速、溫度的實時監(jiān)測與顯示，并與上位機通訊，進行數(shù)據(jù)處理、打印與存儲。2 系統(tǒng)組成和工作原理2.1 系統(tǒng)組成本監(jiān)測儀采用89C52單片機作為核心控制器件，按照模塊化的設計原則，將監(jiān)測系統(tǒng)分為：CPU主控卡、通道控制、數(shù)據(jù)存儲、AD轉換、放大電路、鍵盤及顯示等功能模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。模塊化設計的結果使監(jiān)測系統(tǒng)結構簡潔，便于維護，可靠性得到提高，而且也使系統(tǒng)的功能擴展成為可能，可為系統(tǒng)預留一定的升級空間。2.2 工作原理鍋爐多路風壓、風速在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理為：鍵盤顯示模塊作為外設與CPU實現(xiàn)人一機信息交流；同時，CPU經(jīng)通道控制模塊選擇采集通道

4、，對被選擇通道的數(shù)據(jù)相繼進行信號采集、放大、AD轉換后輸入CPU，在CPU內(nèi)部經(jīng)運算、比較、數(shù)值轉換處理后輸出到鍵盤顯示模塊，顯示所要監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)。當要求顯示風壓大小時，直接將采集的風壓數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、轉換即可；當要求顯示風速大小時，則須將采集的風壓和溫度數(shù)據(jù)按照式(4)計算(軟件程序計算)后，送鍵盤顯示模塊顯示相應通道及風速。3 硬件設計3.1 通道選擇電路本系統(tǒng)共有16路數(shù)據(jù)采集通道，表1為通道選擇真值表，可以通過89C52的P1口控制16個通道的選通狀態(tài)(Q1Q4)。圖2為通道選擇控制電路，8D鎖存器74LS373的輸入引腳D1D8與89C52的P1口連接，輸出腳Q1Q6用于選擇控制16

5、個通道，其中：Q4，Q5，Q6分別與A1(74LS138)的A、B、C腳相連；定義A1的輸出口Y0，Y1為A2或A3的片選控制信號，當Y0為低電平時選擇A2芯片工作，當Y1為低點平時選擇A3工作；74LS373的Q1，Q2，Q3則分別與A2，A3芯片的A，B，C腳直接相連，實現(xiàn)采集通道的8選1控制，再與Q4高低電平2個狀態(tài)結合，就可實現(xiàn)16路通道的選擇。3.2 程控信號放大電路傳感器輸出的電壓信號比較小，與AD轉換輸入端口不匹配，必須在AD轉換前加一個信號放大電路，選用超低漂移高精度運算放大器OPO7。又由于通道數(shù)較多，各通道參數(shù)的精度、量程不同，因此，監(jiān)測到的信號需要根據(jù)不同的通道，選擇合適

6、的放大倍數(shù)，更好地完成信號的放大處理，為AD轉換器提供更為精確的采集信號。 圖3為放大電路，采用4路選擇開關CD4052芯片來選擇放大倍數(shù)Ki。用圖2中的74LS273的Q7，Q8輸出端口控制CD4052芯片，選擇X0，X1，X2，X3，實現(xiàn)電阻R1，R2，R3，R4的切換，進而實現(xiàn)改變放大倍數(shù)的目的。放大倍數(shù)3.3 AD轉換電路選用ADI公司的16位串行口的AD轉換芯片AD7715，它使用開關電容逐次逼近技術完成AD轉換過程，只有1路模擬輸入。逐次轉換各個通道數(shù)據(jù)，將轉換完的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器里，需要用時再取出來。該芯片具有自校準、系統(tǒng)校準功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響

7、。圖4為AD7715與89CA2的連接，單片機的P2.2，P2.1，P2.0引腳分別與AD7715的SCLK、DRDY、DOUT(DIN)引腳連接。由于AD7715的輸入與輸出不同步，所以輸入與輸出引腳接在單片機的同一個引腳P2.0上。AD7715的片選信號(CS)直接接地，模擬信號由AIN(+)引腳進入，經(jīng)轉AD換后由DOUT輸出數(shù)字信號到單片機，而單片機運算處理過的數(shù)據(jù)則由DIN輸入給AD7715，其中AIN(+)，AIN(-)，DIN，DOUT均是串行口。MCLKIN，MCLKOUT主時鐘信號端(即晶振連接端)。3.4 鍵盤顯示接口電路采用8279鍵盤顯示專用芯片與單片機相連。在該設計中

8、，一共設置了6個控制鍵，6個LED數(shù)碼顯示管(前2個用來顯示被測通道號，后4個用來顯示所監(jiān)測通道的具體數(shù)值)；其中6個按鍵的功能說明如下：“設置”鍵：通電后儀表可隨時按“設置”鍵，進入設置狀態(tài)，輸入密碼，再次按“設置”鍵，可修改設置參數(shù)(密碼錯誤時，按設置鍵將返回監(jiān)測狀態(tài))，當該參數(shù)項不需要修改時，可直接按“設置”鍵，進入下一個參數(shù)的設定?！岸c”鍵：按“定點”鍵，顯示方式將在固定顯示某一通道的參數(shù)和循環(huán)顯示各通道參數(shù)兩種方式間來回切換。如原來為定點方式，按“定點”鍵，將變?yōu)檠h(huán)顯示方式；如原來為循環(huán)方式，按“定點”鍵，將變?yōu)槎c顯示方式?！啊?、“”鍵：設置數(shù)據(jù)采集通道。在循環(huán)顯示方式時，按上

9、下鍵無效，在定點方式時，通道號分別加減1?！扒袚Q”鍵：可使顯示內(nèi)容為風速、風壓顯示兩個參數(shù)中的一種，如原來顯示風速，按“切換”鍵，數(shù)碼顯示管將顯示風壓值。“復位”鍵：將外部512B RAM中的數(shù)據(jù)傳送給上位PC機，并存儲數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)打印。3.5 可編程看門狗監(jiān)控E2PROMX25045電路89C52單片機有8 kB內(nèi)部程序存儲器空間，256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間。系統(tǒng)的程序量不大，8 kB內(nèi)部程序存儲器空間可以滿足系統(tǒng)的設計要求，無需外擴程序存儲器；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個數(shù)據(jù)頻繁、數(shù)據(jù)量比較大的系統(tǒng)，256 B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間達不到要求，需要外擴效據(jù)存儲器來保存和處理采集的數(shù)據(jù)。采用串行E2

10、PROM器件X25045芯片作為外部數(shù)據(jù)存儲器。其主要特點為：利用低VCC檢測電路，可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲器部分是CMOS的串行E2PROM，內(nèi)部按512×8組織，10萬次寫人次數(shù)，100年數(shù)據(jù)儲存；看門狗定時器對單片機提供了獨立的保護系統(tǒng)。圖5是X25045與單片機的連接圖。在整個工作期內(nèi)，片選CS端為低電平；WP端為高電平時，所有寫保護功能正常。SCK，SI，SO分別接單片機的P2.4，P2.5，P2.6。其中SCK串行時鐘輸入，上升沿寫入數(shù)據(jù)或命令，下降沿輸出數(shù)據(jù)；SI串行輸入，由此引腳逐位寫入數(shù)據(jù)或命令；SO串行輸出，由此引腳逐位輸出數(shù)據(jù)。3.6

11、檢測電路該系統(tǒng)需要監(jiān)測風壓與風速2個參數(shù)，而風速是有風壓與溫度計算得到的，計算公式見式(4)。在風壓監(jiān)測時，將采集到的電流信號通過電阻轉變成電壓信號，電壓大小等于該電阻上的電壓，得到的電壓信號通過放大器放大，輸入到AD轉換器，轉換成二進制的數(shù)字信號，再根據(jù)存儲在RAM中的數(shù)據(jù)查找到相應的壓力即可得到相對的壓力大小。在溫度監(jiān)測時，見圖6，采用熱電阻的三線接法來監(jiān)測溫度，這樣可以消除導線電阻RL引起的監(jiān)測誤差，使監(jiān)測結果更精確。測得Rt如下：其中V3，R1，V0都為已知數(shù)，V3為電阻R1上的電壓。由熱電阻阻值跟溫度的關系可得溫度t。R0為溫度為0時熱電阻的電阻值。風速：其中：K為測速管標定系數(shù)；P為風壓；t為熱風溫度。在實際應用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點對應的溫度值，然后根據(jù)這些點描出電阻一溫度的曲線，通過軟件部分制成表，放入單片機的RAM中，然后在巡測過程中通過查表可以知道此電阻值所對應的溫度值。4 軟件設計該系統(tǒng)用單片機內(nèi)部RAM及其中斷系統(tǒng)實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、暫時存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及其他的輔助功能。在系統(tǒng)的軟件設計中，考慮到程序的可讀性，系統(tǒng)的可擴展性以及升級的需要，采用模塊化的設計方法，每個模塊實現(xiàn)一定的功能，這樣模塊與模塊之問能相對獨立，使得程序結構清晰。程序設計主要分主程序模塊、AD采集模塊、鍵盤處理模塊、數(shù)據(jù)