多段電容式鍋爐液位測量系統(tǒng)設(shè)計

1、多段電容式鍋爐液位測量系統(tǒng)設(shè)計蔡成濤1 鄭佳1 韓光照2(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第703研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)摘 要：由于傳統(tǒng)的鍋爐汽包水位測量多采用差壓式水位計、云母水位計等方法，測量過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量系統(tǒng)，并且應(yīng)用HART通訊單元訪問傳感器的測量過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)等信息。對多段電容式液位測量系統(tǒng)的總體方案、傳感器設(shè)計、電容測量電路、HART通訊電路的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)論述，同時

2、設(shè)計了HART通訊軟件和液位測量采集軟件。對所設(shè)計的多段電容式鍋爐液位測量系統(tǒng)經(jīng)過試驗表明，該液位計精度高、操作簡單方便，解決了傳統(tǒng)液位測量的缺陷，可以滿足實(shí)際現(xiàn)場要求。關(guān)鍵詞：汽包水位；多段電容；液位測量；電容式傳感器中圖分類號：TP 13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A Multiple-Segment capacitance liquid level meterCai Cheng tao1，Zheng Jia1，Han Guangzhao 2 (1.College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)(2.

3、 No.703 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation, Harbin 150078, China)Abstract：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, temperatur

4、e and pressure compensation and put to trouble defects. 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 sens

5、or 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 sof

6、tware 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

7、the field.Key words：drum water level; multi section capacitor; liquid level measurement; capacitive sensor0 引言作者簡介：蔡成濤（1980-），男，河南省開封市人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能系統(tǒng)方向的研究。鄭佳（1991-），女，吉林省長春市人，碩士研究生，主要從事智能控制方向的研究。韓光照（1977-），男，吉林省吉林市人，從事汽輪機(jī)控制方向的研究。鍋爐汽包水位是現(xiàn)代火電廠鍋爐安全運(yùn)行的一個非常重要的監(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。水位過高或過低都會引起

8、水汽品質(zhì)的惡化甚至造成事故。水位過高，會影響汽包水位分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過多而使過熱器管壁結(jié)垢，引起過熱器損壞。同時還會使過熱汽溫急劇變化，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100mm200mm。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)確測量汽包水位具有重要的應(yīng)用價值，目前能全程使用的汽包水位計還很少。當(dāng)前汽包水位的監(jiān)測多采用多種儀表多點(diǎn)監(jiān)測的方法。差壓式汽包水位計在火電生產(chǎn)過程中是應(yīng)用最為普遍的一種水位計，它是靜壓式液位測量儀表，廣泛應(yīng)用于汽包水位的實(shí)時監(jiān)測和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)2。但受

9、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)償及過補(bǔ)償問題。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)溫度壓力的自動補(bǔ)償，解決了差壓式水位計的缺陷。提出的五段式智能電容汽包水位計利用充放電來測量微電容，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得影響，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3。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

10、存在震蕩電路及放電回路，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多路電容同時測量，避免了多路開關(guān)的切換。使得電路簡單化，實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的電容檢測結(jié)果通過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4mA20mA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(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化。1 系統(tǒng)總體設(shè)計五段式智能液位測量系統(tǒng)由五段電容傳感器，電容測量系統(tǒng)，SPI通訊單元，4mA20mA環(huán)流AD單元，HART通訊單元等構(gòu)成。傳感器通過PC0PC5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，通過SPI通訊單元將電容測量結(jié)果傳到STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，ST

11、M32單片機(jī)的PC13PC15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420mA電流回路來解調(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)對汽包液位的全程液位檢測，并且對溫度及液相、氣相介電常數(shù)變化進(jìn)行補(bǔ)償。五段式液位測量系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。圖1 分段式液位測量系統(tǒng)的整體框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1多段式電容液位傳感器設(shè)計多段式電容傳感器，由兩個半徑不同的筒狀極板構(gòu)成，外極筒作為一個整體。多段筒形電容結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路如圖2

12、所示。在外極筒靠近底端和頂端的部分，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(dú)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(dú)立檢測電容，從而得到整體的測量結(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: （1）式中，h為每段極筒的高度；,為內(nèi)極筒外徑，外極筒內(nèi)徑；為被測液位高度；為空氣介電常數(shù)；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

13、，即可求得總液位： （2） 式中為各段間距，本設(shè)計中各段間距足夠小。2.2電容測量電路的實(shí)現(xiàn)通過對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來測量電路電容值。德國acam公司專利的PICOCAP測量原理給電容測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，這顆芯片提供了對于高精度測量，低功耗測量以及快速測量應(yīng)用的完美結(jié)合，利用充放電時間原理，轉(zhuǎn)換時間的精度范圍最少可達(dá)到2us。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)對芯片進(jìn)行控制或編程時，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)”

14、。通訊方式通過控制引腳“IIC-EN”的高低電平來選擇，本文選用SPI通訊方式對芯片進(jìn)行控制和編程，將IIC-EN引腳連接到GND，4線SPI通信口開啟，引腳SSN-PG0、SCK-SCL、MISO-PG1、MOSI-SDA引腳分別與STM32F103C8T6單片機(jī)引腳PA4PA7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(bǔ)償方式：漂移模式，內(nèi)部和外部的寄生電容同時補(bǔ)償；接地模式，內(nèi)部補(bǔ)償。通過補(bǔ)償后的電容值，10pf的基礎(chǔ)電容在5Hz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(diǎn)。PCap01芯片與傳感器有四種連接方式

15、：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5。芯片供傳感器連接的引腳為PC0PC8，所以在接地模式中最多可以測量8路電容，漂移模式中最多可以測量4路電容。本次實(shí)驗選用單一傳感器接地模式，PC1PC7引腳分別與傳感器的各段極板引出的引線連接。電容測量電路設(shè)計如圖3所示。圖3 PCap01芯片電路圖2.3 HART通信單元設(shè)計HART協(xié)議是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場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(shí)現(xiàn)相

16、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)變過程中的過渡協(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)場總線的優(yōu)越性的同時，保留著420mA系統(tǒng)的兼容性8，并通過手持器或上位機(jī)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(jī)處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成420mA電流，輸出主要的測量結(jié)果。AD421電路圖設(shè)計如圖4所示。DS8500HRT接收疊加在420mA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)行濾波檢測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1.2KH

17、z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(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(jī)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(jī)的USART1_TX和USART1_RX引腳，通過程序控制PA1

18、2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4mA20mA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(jī)；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(jī)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4mA20mA環(huán)路上。由于HART手持器價格昂貴，可以采用USB-HART調(diào)制解調(diào)器和上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議功能，HART通信電路如圖6所示。在42

19、0mA環(huán)路中串入250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(jī)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4 AD421電路圖設(shè)計圖5 STM32F103C8T6電路圖圖6 HART通信單元電路圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計分為兩部分，一部分是HART協(xié)議通信程序設(shè)計，另一部分是液位測量程序設(shè)計。3.1 HART通信程序設(shè)計 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，實(shí)現(xiàn)了HART信號的接收、解析、響應(yīng)和發(fā)送，并開發(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

20、、地址、擴(kuò)展字節(jié)、命令、數(shù)據(jù)個數(shù)、數(shù)據(jù)、校驗字節(jié)。前導(dǎo)符是520個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載波檢測信號，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的同步。定界符用來表示數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)拈_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），同時它也指定了數(shù)據(jù)幀的幀類型（長幀、短幀）。地址包括主機(jī)地址和從機(jī)地址，分為長幀和短幀兩種類型，短幀為一個字節(jié)，長幀為5個字節(jié)。命令表明了一個數(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

21、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)初始化時應(yīng)包括通信速率、數(shù)據(jù)長度和工作模式等參數(shù)設(shè)置，并開啟USART1接收中斷，PA12引腳設(shè)置為高電平，使DS8500芯片處于接收HART信號狀態(tài)。當(dāng)DS8500芯片接收到HART信號，將其解調(diào)成0、1數(shù)字信號，然后通過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)而對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向奇校驗，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信號狀態(tài)，STM32

22、單片機(jī)通過USART1將應(yīng)答幀傳送給DS8500芯片，經(jīng)DS8500芯片調(diào)制成FSK信號之后加載到420mA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 液位測量程序設(shè)計液位測量程序如圖8所示，首先對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。若初始化未完成會返回重新進(jìn)行初始化，若初始化完成，單片機(jī)會通過SPI通訊方式向PCap01發(fā)送復(fù)位信號，初始化PCap01芯片，操作配置寄存器，使PC1PC5腳處于測量模式，充放電周期為280us，選擇250充放電電阻，操

23、作完成之后，開始電容測量，待測量完成之后，將測量結(jié)果傳送給STM32單片機(jī)，單片機(jī)將電容比值經(jīng)過處理和擬合之后轉(zhuǎn)化為實(shí)時液位值，然后將液位值變?yōu)?6位的數(shù)字量傳給AD421輸出420mA電流信號，然后繼續(xù)返回電容測量。圖8 液位測量流程圖4 試驗及結(jié)果由于采用的是五段式電容傳感器，所以只需用到Pcap01芯片測量引腳中的PC0到PC5。選取每段傳感器長度為60mm，將傳感器置入到盛有沸水的圓筒容器中，為了避免傳感器對液位值的影響，容器應(yīng)選擇的足夠大，使用精度為0.2mm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5mm采集一次被測電容值和420mA模擬電流輸出值。將測得420mA電流值換算成液位值與貼尺所示液位值進(jìn)行比對。繪制電容-液位曲線如圖9所示，液位值與被測電容值成線性關(guān)系。HART通信測試表明通過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)論通過對電容式