田海軍 張 鋆 王 健

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

汽包水位是自然循環(huán)鍋爐安全運行的重要參數(shù)之一。汽包水位過高或過低時，都會破壞鍋爐的水循環(huán)，嚴重時會造成爆管等重大事故，所以準確測量汽包水位具有重要意義。由于汽包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行工況變化大，目前還沒有全工況監(jiān)測汽包水位的方法?，F(xiàn)在電廠中多采用多種儀表、多點檢測的方法來測量汽包水位，主要使用差壓式水位計、云母水位計和電接點水位計，但它們都存在一些缺陷[1]。為解決這些問題，筆者設(shè)計了一種基于HART協(xié)議的智能多段式電容汽包液位計，通過精確測量各段傳感器的電容值，得到實時液位值，最終結(jié)果通過兩線制輸出4～20mA校準工業(yè)信號，實現(xiàn)了汽包液位的全工況測量，并且支持HART通信協(xié)議，可以方便地實現(xiàn)液位計的組態(tài)、監(jiān)測和校準功能。

HART協(xié)議是一種現(xiàn)場總線協(xié)議[2]，現(xiàn)場總線是目前國際過控領(lǐng)域的一個熱點，通過現(xiàn)場總線對現(xiàn)場儀表完成實時監(jiān)控和校準。但是現(xiàn)在工廠中的儀表大部分還保留4～20mA的模擬信號，在模擬設(shè)備向數(shù)字設(shè)備過渡的現(xiàn)階段，HART協(xié)議作為一種開放性協(xié)議，可以同時兼容數(shù)字信號和模擬信號。

智能多段式電容液位計主要由七段式電容液位傳感器、高精度電容測量電路、STM32F103C8T6單片機、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將液位信號轉(zhuǎn)換成各段傳感器對應(yīng)的電容值，高精度電容測量電路實現(xiàn)各段電容值的同時、準確被測量，并將測量結(jié)果傳送給STM32單片機進行數(shù)據(jù)處理得到實時的液位值，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， HART通信單元用來實現(xiàn)4～20mA電流環(huán)路中FSK數(shù)字信號的發(fā)送和接收，通過HART手持器或者在控制室就可以方便地完成對液位計的組態(tài)、實時監(jiān)測和校準功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 七段式電容液位傳感器設(shè)計

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，為了使被測液體能夠順利進入兩極筒間，在靠近外極筒底端和頂端部分留有兩個進液孔。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，傳感器接線盒用來放置數(shù)字信號處理電路板，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1/7量程的電容傳感器，各段獨立檢測電容，從而得到整體的測量結(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，而且由于采用了多段式結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于縮短了檢測量程，提高了檢測分辨率和精度，自帶量程基準(段長)、零點基準(空介質(zhì)段)和滿值基準(滿介質(zhì)段)，為實現(xiàn)在線自標定校正功能提供了依據(jù)。

2.2 高精度電容測量電路設(shè)計

電容測量電路采用PCap01高精度電容測量芯片，測量電容精度可以達到af級，而且芯片帶有單片機處理單元來完成電容數(shù)字轉(zhuǎn)換。

PCap01芯片電容測量單元原理如圖2所示。芯片內(nèi)部集成了RC充放電電路[5]，為了提高測量精度，芯片輸出的最終結(jié)果不是被測電容值，而是被測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個不同阻值的充放電電阻(單位：kΩ)，可以通過設(shè)置芯片的配置寄存器參數(shù)來選擇，選擇完成后，芯片內(nèi)部會將被測電容和參考電容連接到這同一個充放電電阻。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電容測量值的影響。

圖2 PCap01芯片電容測量單元原理

由于電容值的大小與放電時間成正比關(guān)系，PCap01芯片集成了高精度的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，可以精確記錄放電時間，精度可以達到2μs，然后經(jīng)哈佛結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號處理器處理之后得到電容比值，完成電容數(shù)字轉(zhuǎn)換，精度可以達到0.477%，最后將電容比值存儲在結(jié)果寄存器中。為了使電容能夠完成完整的充放電過程，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SPI通信接口技術(shù)將結(jié)果寄存器的測量結(jié)果傳送給STM32單片機，進行數(shù)據(jù)處理和擬合。由于采用電容單芯片測量方案，避免了搭建充放電電路和使用切換開關(guān)[6]，提高了電路的穩(wěn)定性和精度，實現(xiàn)了各段傳感器電容值的同時測量。

2.3 HART通信單元設(shè)計

HART協(xié)議是美國Rosemount公司開發(fā)的一種通信協(xié)議[7]， HART通信單元由AD421芯片、STM32單片機和DS8500芯片構(gòu)成，實現(xiàn)了HART協(xié)議的物理層設(shè)計[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，用來將單片機傳輸?shù)囊何恍盘栟D(zhuǎn)換為工業(yè)上標準的4～20mA電流信號。為了減少數(shù)字信號對模擬信號的干擾，將AD421的CLOCK、DATA、LATCH引腳通過ADuM1310磁耦芯片隔離之后，分別與STM32單片機的PC13～PC15引腳相連。AD421的C1～C3引腳外接電容用來濾波，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單片機的PA12引腳連接，通過編程輸出高低電平來控制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單片機的USART1引腳PA9(Tx)和PA10(Rx)對應(yīng)連接。FSK_IN為HART信號的接收引腳，為了能夠從模擬信號中準確提取HART信號，R10和C34構(gòu)成一個截止頻率為10kHz的低通濾波器，R13和C32構(gòu)成一個截止頻率為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信號的發(fā)送引腳，為了使HART輸出信號穩(wěn)定，使用MAX4040EUK增益放大器芯片將HART信號進一步放大，最后經(jīng)過C39連接到AD421的C3引腳，通過AD421將HART信號疊加到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

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

液位測量程序流程如圖4所示，首先對STM32單片機進行初始化，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SPI通信方式向PCap01發(fā)送復(fù)位信號，初始化PCap01芯片，操作配置寄存器，使PC1～PC7引腳處于測量模式，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，單片機將電容比值經(jīng)過處理和擬合之后轉(zhuǎn)換為實時液位值，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。

圖4 液位測量程序流程

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，實現(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，所以單片機初始化時應(yīng)包括通信速率、數(shù)據(jù)長度及工作模式等參數(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信號時，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，STM32接收到數(shù)據(jù)后，進入串口接收中斷，接收命令幀數(shù)據(jù)。進而對接收到的數(shù)據(jù)進行縱向奇校驗，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單片機通過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4～20mA環(huán)路中。當(dāng)發(fā)送完成之后，再次進入接收狀態(tài)，等待下一條命令。

圖5 HART通信程序流程

4 實驗與結(jié)果分析

液位計各段長度為70mm，傳感器外壁貼有0.1mm精度的防水貼尺，用來標定真實液位值。將液位計放入透明測量筒中，為了消除液位計插入水中時對水位的影響，測量筒的直徑應(yīng)足夠大，為了使實驗準確，采用向測量筒中滴加水的方式，每間隔2mm記錄液位計電流輸出值和液位真實值，并使用仿真器記錄PCap01芯片對應(yīng)的電容測量值，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，液位測量值有較小的波動，誤差小于3mm，精度為0.5級，符合設(shè)計要求。

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)器的兩個無極性測試鉤，勾在電阻兩端，通過上位機軟件和液位計通信，完成HART通信測試，結(jié)果表明HART通信單元實現(xiàn)了量程上下限調(diào)整，各段傳感器校準和對液位值、電容值等變量的實時監(jiān)測等功能。

圖6 液位-電流曲線

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計的智能多段式電容液位計克服了差壓式水位計等傳統(tǒng)水位計測量汽包水位存在的缺陷，并解決了溫度壓力補償問題，實現(xiàn)了汽包水位的全工況測量。精度可以達到0.5級，滿足工業(yè)現(xiàn)場要求。

[1] 程啟明，汪明媚，王映斐.火電廠鍋爐汽包水位測量技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀[J].電站系統(tǒng)工程，2010，26(2)：5～8.

[2] 楊新民，肖勇，陳豐.現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2014，43(9)：76～82.

[3] 張波.分段電容式液位測量的研究[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2010.

[4] 朱高中.電容式傳感器在液位測量中的應(yīng)用研究[J].液壓與氣動，2012，(2)：70～72.

[5] 王剛，李桂林.基于電容充放電原理的納秒級時間精度測量技術(shù)[J].化工自動化及儀表，2010，37(8)：69～71.

[6] 陳海俠，高宗海，申阿維.低功耗兩線制電容式液位變送器的研制[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2011，27(4)： 471～476.

[7] 廖瑋.基于HART協(xié)議的智能定位閥控制系統(tǒng)的研制和開發(fā)[D]. 天津：天津大學(xué)，2009.

[8] 孔祥偉，周杏鵬. 基于HART協(xié)議的智能壓力變送器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010，(2)：15～17.

[9] 姜祥真，陳俊杰，操永波.HART主機數(shù)據(jù)鏈路層的實現(xiàn)[J].自動化儀表，2010，31(6)：1～4.

[10] 聶磊.基于HART協(xié)議的智能儀表通信系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.