[導讀] 介紹了智能電接點水位計的水位測量原理及其系統的基本結構。通過分析直流電信號與水的電解效應的關系,提出了適用于該系統的直流電壓信號時間斷續方式的信號激勵電路和相應的信號檢測電路的設計方法。根據工業現場的要求,設計了六級報警機制;描述了應用事件驅動機制的軟件設計思想。
1 引言
鍋爐汽包水位是鍋爐運行的重要參數,它直接影響鍋爐運行的安全性和經濟性,因此,鍋爐汽包水位的正確測量和控制是鍋爐安全運行的重要研究方向。電接點水位計作為監控水位的主要儀表,具有很好地耐高溫、高壓的能力及很高的安全性、可靠性和穩定性,已經成為熱工水位保護不可分割的組成部分。傳統機械式水位計只能實現現場水位的測量與顯示,而沒有遠傳信號的輸出功能,不利于對多個測量點的實時監控,而且這種水位計沒有報警功能或者報警方式單一,很難實現對汽包內水位及時的控制與調節。智能電接點水位計以單片機為核心,用數字和模擬兩種方式實現水位動態顯示的新型儀表。它具有可設定的六個上下限水位聲光自動報警,同時帶有繼電器輸出功能。它彌補了傳統的只讀式機械水位計沒有遠傳信號輸出的不足,實現了4~20 mA標準電流信號的輸出功能。
2 水位測量原理
智能電接點水位計屬于連通管式水位計,它的測量筒通過一個汽聯管和一個水聯管與汽包相連接。由于連通管的作用,在測量筒內會出現與汽包等高度的水位。檢測裝置通過直接檢測對測量筒內部水位就可以實現對汽包水位的間接檢測。如圖1所示。
智能電接點水位計的物理基礎是水和蒸汽有不同的電導率,在檢測方式上表現為蒸汽的電阻阻值大于水的電阻阻值。電接點水位計使用電極為檢測工具,通過對測量筒內不同高度橫截面處介質的電阻阻值進行測量,確定測量筒內蒸汽和水的分布情況,運用相應的算法,便可以計算出實時的水位值。
3 系統構成及實現
系統主要由激勵信號觸發單元、數據采集單元、聲光自動報警單元、電源模塊、單片機等部分構成,系統框圖如圖2所示。
其中,單片機是Mcirochip公司生產的PIC16F877。它具有哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結構,其最高可達160 ns的單指令運行速度確保了系統對實時性的要求。單片機內部帶有10位的A/D轉換器,簡化了采樣電路的設計。單片機內部還集成了256字節的EEPROM[3],可直接用于系統參數的保存。
3.1 信號激勵與檢測部分
該部分是智能電接點水位計的關鍵部分,它由激勵信號觸發單元和數據采集單元構成。激勵信號可分為交流激勵和直流激勵,交流信號激勵的優點是減小了電解水效應對系統測量的影響,但是,數據采樣電路的設計相當復雜。直流信號激勵的優勢在于數據采樣電路設計簡單,實時性好,但是長時間的直流信號激勵會使水電解,電解后在電極附近會出現H+和O2-,這些離子之間存在的電勢差對檢測結果會產生一定的影響。
在滿足系統測量精度要求的情況下,為了減小因水的電解效應而導致的系統檢測誤差,系統結合兩種激勵方式的優勢,設計了直流電壓信號時間斷續激勵方式,即由單片機產生直流電壓信號對電極進行激勵,待數據采樣結束后迅速停止激勵。雖然在數據采樣過程中直流電壓激勵信號也對水有一定的電解作用,但是由于激勵信號的施加是斷續的,且從整體時序上看激勵信號施加的時間所占的比例很小,數據采樣的時間短,由水解后產生的正、負離子之間的電勢差與由水阻所產生的電勢差相比很小,而且這些電解后在電極附近產生的正負離子在兩次激勵產生之間會隨著水的流動離開原來的位置,不會對下一次數據采樣產生影響,時序如圖3所示。
在測量筒上交錯安裝有電極陣列,如圖4所示,激勵信號通過限流電阻R施加到電極上,建立電流回路,i為回路電流信號。電流密度越大,水的電解作用越明顯,于是,限流電阻的選擇也很關鍵。假定飽和水的阻值為50 kΩ,激勵電壓為+5 V,電極陣列的電極直徑為2 mm(電極橫截面積0.126 cm2)。為了滿足對電流密度的要求,R選取阻值為510 kΩ,計算得電極上的電流密度為0.071 mA/cm2,此電流密度對水的電解作用很微弱,滿足了系統設計的要求。
系統對激勵信號的響應采用電壓檢測的方式。激勵信號觸發之后,由單片機控制多路開關電路選通電極陣列中的電極,對電極電壓Ui采樣后送至單片機的A/D轉換器進行處理。
圖4中的Ui為電極上的響應電壓信號。此電路設計的關鍵是數據采樣的響應時間,過長的響應時間會增加激勵信號對水的電解作用,引入更大的誤差。系統選用的多路開關芯片為CD4051,它從輸入信號改變到穩定輸出的時間小于55 ns,芯片對控制信號的響應時間小于1μs,綜合考慮各種時間延遲因素,選通一路信號時,電路的時間延遲可控制在幾個μs的數量級。系統選用的單片機為PIC16F877,內部A/D轉換器為10位,系統工作頻率為16 MHz晶振。A/D轉換器采樣時間為19. 72μs, A/D轉換時間為19. 2μs[3],考慮到多路開關的切換時間,一路數據采樣時間控制在40μs內,這個時間內水的電解效應對測量結果的影響是可以忽略的。
在對電極陣列施加激勵電壓時,電極陣列上電極電壓與汽、水阻值分布及激勵電壓滿足式(1)。
式中:Ui為第i個電極上的電壓;Ri為第i個電極上水阻或者汽阻的阻值;R為限流電阻,取值為510 KΩ。
式(1)中的電極電壓Ui在單片機中的運算中是以數字量的形式出現的。所以,經過A/D轉換后,可以對式(1)改進如下:
式中:Di為對第i個電極上電壓Ui進行A/D轉換后得到的數字量;D0為直流激勵電壓經過A/D轉換后得到的數字量,D0=1 023。
系統設計完成后,在鍋爐汽包兩側分別安裝了智能電接點水位計和基準就地水位計進行了測試。智能電接點水位計的測量結果與就地水位計相同,證明了所設計的信號激勵與檢測方式是可行的。
3.2 報警部分
聲光自動報警單元是本系統的重要組成部分,它共有六級報警———3個上限報警和3個下限報警。當汽包內水位高于某一個設定的上限水位或低于某一下限水位時,系統自動啟動報警機制,相應的報警燈點亮,同時揚聲器按一定頻率發出響聲,報警級別越高揚聲器發聲的頻率越高。當報警機制啟動后,相應的常開繼電器會自動閉合,可迅速啟動與液位計配套的調節機制,及時調節汽包水位。
聲光自動報警單元的組成如圖5所示。它由光電隔離器、報警繼電器、報警燈和報警揚聲器組成。
6組光電隔離器與單片機的6個I/O口直接相連,用于控制6個繼電器啟動和關閉。當I/O口被置為低電平時,與之相連的光電隔離器打開,輸出端導通,常開的繼電器被閉合。相反,當I/O口被置為高電平時,與之相連的光電隔離器被關閉,輸出端截止,常開的繼電器自動打開。因為單片機上用于報警繼電器控制的6個I/O口也與報警燈相連,所以在單片機在控制報警繼電器啟動時,相應的報警燈也可以自動點亮,發出光報警信號。這兩種報警方式并聯輸出的設計方法不但可以減少單片機I/O口資源的開銷量,而且不會由于一種報警方式的故障而導致整體報警機制的癱瘓。對于不同級別的聲報警,系統采用不同頻率報警音實現。報警揚聲器通過限流電阻直接與單片機的I/O口相連接,根據報警級別,這個I/O口輸出不同頻率的方波信號,驅動揚聲器發出報警音。這種設計方法同樣減少了報警電路對單片機I/O的開銷量,而且實現了報警級別的區分。
3.3 電源控制部分
交流220 V和直流6 V電池雙電源供電是也系統的一個特點,這個部分由交直流轉換電路和雙電源切換電路組成。
在雙電源切換電路設計中,系統利用了三極管具有飽和導通和截止兩個工作狀態的特性,使用三極管作為切換開關,設計了簡易、實用的雙電源切換電路。
如圖6所示,當交流電源供電正常時,交直流轉換電路能夠輸出+5 V、+12 V和+24 V 3個直流電壓。如圖4所示,通過電阻R1和R2對+12 V直流電壓進行分壓后,在三極管的基極上出現+8 V的電壓信號,由于三極管集電極上電壓為+5 V,發射極上電壓為+6 V,三極管工作在截止狀態,電池供電電路被切斷,交流220 V為系統供電;當交流供電系統出現故障時,+12 V直流電壓輸出端不能輸出+12 V直流電壓,三極管的集電極和發射極同時出現正向偏置,使它工作在飽和導通狀態,+6 V電池經過0.4 V三極管壓降和0.7 V二極管壓降后,為系統提供了4.9 V的供電電壓,從而確保了系統的正常工作。
系統中的電池為容量2000 mAh的鎳氫電池,電池供電時流經負載的電流為80 mA,理論計算后電池供電25 h后,電池電壓將會降到+5 V,不能在為系統供電,此時需要更換電池,由此而帶來了不必要的工作,因此系統的電源模塊中增加了自動充電機制。如圖6所示,當系統采用交流220 V供電時,如果電池電壓低于+6 V,經比較器后,在充電三極管的基極上將會產生一個低電壓信號,使三極管導通,于是+12 V的充電電壓經過限流電阻和二整流極管后可為電池充電。當電池電壓超過6.9 V(根據充電曲線設定)后,比較器輸出高電平,充電三極管截止,完成充電。因為比較器輸出低電平至高電平電壓信號的變化是一個漸變的過程,所以電池的充電電流也是一個從大至小的漸變過程,避免了大電流對電池的沖擊,增加了充電電池的使用壽命。
4 軟件設計
系統軟件總體上分為數據采集功能模塊、參數讀寫功能模塊、鍵盤掃描功能模塊和輸出刷新功能模塊4個部分,如圖7所示。
數據采集模塊是系統軟件的核心單元,主要由信號激勵模塊、信號檢測模塊和水位計算模塊組成。數據采集模塊在軟件中每500 ms執行一次,由定時器中斷觸發實現,對被測對象進行采樣。每次執行時,軟件首先控制單片機的RB6口,使其輸出高電平,建立激勵信號。然后,執行信號檢測程序,由單片機控制多路開關循環第一個電極電壓進行A/D采樣,采樣結束后,將RB6口置為低電平,并將A/D采樣的結果放入預先開辟好的數組中暫時保存。然后再次建立激勵信號,采樣下一個電極電壓,循環執行這一過程,直至19路信號采集完畢。然后,軟件調用水位計算程序,對A/D采樣結果數組內的數據進行預處理,計算出每一個電極高度的截面處的水阻或者汽阻的阻值。將這19個阻值逐一與預先設定好的汽、水分界值進行比較后,系統就可辨別出測量筒內部汽、水的分布情況,進而計算出水位值。
系統的4個功能模塊在軟件中是采用事件驅動機制實現的。每1種事件都被看作一個消息,在對每個消息進行處理時使用消息處理函數的方式。系統主流程如圖8所示。
軟件對系統進行初始化結束之后,為消息隊列在數據存儲器內開辟空間,用于存放消息代碼,每個消息代碼代表一個事件。消息隊列為FIFO的數據結構,即消息代碼從隊尾加入,從隊首讀取和刪除。當事件滿足觸發條件后,這一事件所對應的消息代碼會自動加入到消息隊列中等待處理。主程序不停地對消息隊列進行訪問,當檢測到消息隊列中有消息時,系統自動從消息隊列中讀出消息代碼,被讀取的消息代碼首先被解析,判斷消息類型,然后軟件調用相應的消息處理函數對消息進行處理。軟件系統中的事件與消息的對應關系如表1所示。
這種軟件編寫方法結構清晰,模塊化強,有很強的可讀性,容易實現軟件的移植。為了保證系統軟件運行的可靠性,避免因系統受干擾后軟件跑飛而導致的系統死機現象,在系統軟件中使用了監視定時器WDT和軟件陷阱技術。
5 結束語
結合交流激勵和直流激勵各自的優點,有針對性的對信號的激勵和檢測電路進行了設計,使其更適用于該系統。在軟件編制中,系統應用了事件驅動機制,增機了系統運行的穩定性。經現場應用測試和比較,智能電接點水位計與其他水位計相比具有運行可靠、集成度高、功能全、實時性好等優點,可以方便地應用到大多數鍋爐汽包水位的測量中,提供穩定可靠的水位信息。