蔡成濤,鄭 佳,韓光照

(1.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001;2.中國船舶重工集團公司第703研究所，哈爾濱 150078)

多段電容式鍋爐液位測量系統(tǒng)設計

蔡成濤1,鄭 佳1,韓光照2

(1.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001;2.中國船舶重工集團公司第703研究所，哈爾濱 150078)

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)字轉換技術專用芯片Pcap01的智能多段式液位測量系統(tǒng)，并且應用HART通訊單元訪問傳感器的測量過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準等信息；對多段電容式液位測量系統(tǒng)的總體方案、傳感器設計、電容測量電路、HART通訊電路的設計進行了詳細論述，同時設計了HART通訊軟件和液位測量采集軟件；對所設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，可以滿足實際現(xiàn)場要求。

汽包水位；多段電容；液位測量；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和鍋爐安全運行的必要條件。水位過高或過低都會引起水汽品質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垢，引起過熱器損壞。同時還會使過熱汽溫急劇變化，影響機組運行的安全性和經(jīng)濟性。水位過低，可能導致水循環(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。汽包內結構復雜，汽包內液位各處不在同一水平面上，因此，準確測量汽包水位具有重要的應用價值，目前能全程使用的汽包水位計還很少。當前汽包水位的監(jiān)測多采用多種儀表多點監(jiān)測的方法。

差壓式汽包水位計在火電生產過程中是應用最為普遍的一種水位計，它是靜壓式液位測量儀表，廣泛應用于汽包水位的實時監(jiān)測和自動調節(jié)系統(tǒng)[2]。但受汽包內壓力變化，飽和水蒸汽密度的變化影響及平衡容器內溫度及密度影響，需要溫度壓力補償，并且存在欠補償及過補償問題。本文提出基于電容數(shù)字轉換技術的電容液位傳感器，能夠實現(xiàn)溫度壓力的自動補償，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)字轉換器記錄下來。由于應用同樣的電阻，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果，測量的周期時間在us級別，在測量時間段內的電容值幾乎不變，保證了測量的準確性[3]。它能夠解決常規(guī)差壓式液位傳感器的缺陷，由于整個電路不存在震蕩電路及放電回路，而且能夠實現(xiàn)多路電容同時測量，避免了多路開關的切換。使得電路簡單化，實現(xiàn)了傳感器的微型化。電容數(shù)字轉換芯片的電容檢測結果通過SPI接口傳入ARM芯片進行數(shù)據(jù)處理及運算，最后使用兩線制輸出4～20 mA信號，液位傳感器的調整及校驗通過HART協(xié)議進行，從而實現(xiàn)了傳感器的智能化。

1 系統(tǒng)總體設計

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，4～20 mA環(huán)流AD單元，HART通訊單元等構成。傳感器通過PC0～PC5測量待測傳感器各分段電容的電容值，并存入結果寄存器中，通過SPI通訊單元將電容測量結果傳到STM32F103C8T6單片機進行運算處理，STM32單片機的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4～20mA電流回路來解調，用DS8500進行相應的處理進行調制數(shù)據(jù)給AD421或者STM32F103C8T6單片機能對DS8500進行控制其狀態(tài)是解調還是調制。能夠方便實現(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)變化進行補償。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)硬件設計

2.1 多段式電容液位傳感器設計

多段式電容傳感器，由兩個半徑不同的筒狀極板構成，外極筒作為一個整體。多段筒形電容結構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，留有兩個進液孔；內極筒由多段相同的銅箔依次緊貼在絕緣管上構成。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，整個內極板封裝在耐腐蝕、耐高溫、抗粘附的氟塑料管中。每組內極板電極各自引出一條引線，外極板引出一條地線。相當于從上至下形成了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果。

圖2 多段筒形電容結構原理圖及等效電路

第i段電容值ci:

(1)

式中，h為每段極筒的高度；r1,r2為內極筒外徑，外極筒內徑；hx為被測液位高度；ε0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€性關系，通過電容測量就可以得到液位值。當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，本設計中各段間距足夠小。

2.2 電容測量電路的實現(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]。它的內部帶有DSP單片機處理單元，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用的完美結合，利用充放電時間原理，轉換時間的精度范圍最少可達到2 μs。傳感器數(shù)據(jù)可以在芯片內部進行現(xiàn)行校準，外部單片機對芯片進行控制或編程時，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”。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單片機引腳PA4～PA7連接。

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

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[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量8路電容，漂移模式中最多可以測量4路電容。本次實驗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。電容測量電路設計如圖3所示。

圖3 PCap01芯片電路圖

2.3 HART通信單元設計

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備之間的通信協(xié)議[7]。HART技術在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準，國產的儀表HART協(xié)議應用剛剛起步，使用HART協(xié)議可方便的實現(xiàn)相應的參數(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4～20 mA系統(tǒng)的兼容性[8]，并通過手持器或上位機完成對液位計的組態(tài)和數(shù)據(jù)校準。

HART通信單元主要由DS8500HRT，AD421及其外圍電路構成。其中，AD421將STM32F103C8T6單片機處理后的數(shù)據(jù)轉換成4～20 mA電流，輸出主要的測量結果。AD421電路圖設計如圖4所示。DS8500HRT接收疊加在4～20 mA環(huán)路上的數(shù)字信號，對其進行帶通濾波和放大之后進行濾波檢測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1.2 kHz信號解調為1，2.2 kHz信號解調為0，并通過串口通信傳輸給STM32F103C8T6單片機[9]。STM32F103C8T6電路圖如圖5所示。單片機接收到命令幀作出相應的處理，然后通過串口發(fā)送應答幀，應答幀的數(shù)字信號通過DS8500HRT調制成相應的1.2 kHz和2.2 kHz的FSK頻移鍵控信號，并經(jīng)過整形電路進行波形整形后，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處于調制和解調模式。當PA12引腳為高電平時DS8500HRT處于解調模式，DS8500HRT從4～20 mA環(huán)路上接收信號，通過帶通濾波和放大整形后提取出FSK信號并解調為數(shù)字信號傳給STM32F103C8T6單片機；當PA12引腳為低電平時DS8500HRT處于調制模式，DS8500HRT接收STM32F103C8T6單片機發(fā)送的應答幀，經(jīng)過調制和波形整形后耦合到AD421的C3引腳，通過AD421疊加到4～20 mA環(huán)路上。

由于HART手持器價格昂貴，可以采用USB-HART調制解調器和上位機來實現(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調制解調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)、設備組態(tài)和校準信息等功能。

圖4 AD421電路圖設計

圖5 STM32F103C8T6電路圖

圖6 HART通信單元電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計分為兩部分，一部分是HART協(xié)議通信程序設計，另一部分是液位測量程序設計。

3.1 HART通信程序設計

HART通信程序完成了HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層、應用層以及層間接口的程序設計，實現(xiàn)了HART信號的接收、解析、響應和發(fā)送，并開發(fā)了用于各段校準的特殊命令。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符、定界符、地址、擴展字節(jié)、命令、數(shù)據(jù)個數(shù)、數(shù)據(jù)、校驗字節(jié)。

前導符是5～20個0XFF字符，前導符是為了使數(shù)據(jù)接收端在硬件電路上產生OCD載波檢測信號，以實現(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)。地址包括主機地址和從機地址，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)內容和響應碼。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，所以單片機初始化時應包括通信速率、數(shù)據(jù)長度和工作模式等參數(shù)設置，并開啟USART1接收中斷，PA12引腳設置為高電平，使DS8500芯片處于接收HART信號狀態(tài)。當DS8500芯片接收到HART信號，將其解調成0、1數(shù)字信號，然后通過USART1傳送給STM32單片機，STM32單片機接收到數(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)命令幀相應的命令形成應答幀，然后將PA12引腳設置為低電平，使DS8500芯片處于發(fā)送HART信號狀態(tài)，STM32單片機通過USART1將應答幀傳送給DS8500芯片，經(jīng)DS8500芯片調制成FSK信號之后加載到4～20 mA環(huán)路中[10]。當發(fā)送完成之后，再次進入接收狀態(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 液位測量程序設計

液位測量程序如圖8所示，首先對STM32單片機進行初始化，包括初始化IO接口，設置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行初始化，若初始化完成，單片機會通過SPI通訊方式向PCap01發(fā)送復位信號，初始化PCap01芯片，操作配置寄存器，使PC1～PC5腳處于測量模式，充放電周期為280 μs，選擇250 Ω充放電電阻，操作完成之后，開始電容測量，待測量完成之后，將測量結果傳送給STM32單片機，單片機將電容比值經(jīng)過處理和擬合之后轉化為實時液位值，然后將液位值變?yōu)?6位的數(shù)字量傳給AD421輸出4～20 mA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，為了避免傳感器對液位值的影響，容器應選擇的足夠大，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構是完全相同的，以第一段為例，每隔5 mm采集一次被測電容值和4～20 mA模擬電流輸出值。將測得4～20 mA電流值換算成液位值與貼尺所示液位值進行比對。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系。HART通信測試表明通過HART單元可以實現(xiàn)遠程輸出電流值的校準。

圖9 電容-液位關系圖

5 結論

通過對電容式液位傳感器的研究，所提出的智能液位計，采用多段式電容傳感器，該電容傳感器響應速度快，能較為準確的顯示出液位的變化值且不需要進行溫度壓力補償，彌補了傳統(tǒng)鍋爐液位測量的缺陷，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求。

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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，河南開封人，副教授，博士生導師，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 文獻標識碼：A