[導(dǎo)讀] 介紹了智能電接點(diǎn)水位計(jì)的水位測量原理及其系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。通過分析直流電信號與水的電解效應(yīng)的關(guān)系,提出了適用于該系統(tǒng)的直流電壓信號時(shí)間斷續(xù)方式的信號激勵電路和相應(yīng)的信號檢測電路的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的要求,設(shè)計(jì)了六級報(bào)警機(jī)制;描述了應(yīng)用事件驅(qū)動機(jī)制的軟件設(shè)計(jì)思想。
1 引言
鍋爐汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù),它直接影響鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性,因此,鍋爐汽包水位的正確測量和控制是鍋爐安全運(yùn)行的重要研究方向。電接點(diǎn)水位計(jì)作為監(jiān)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(wěn)定性,已經(jīng)成為熱工水位保護(hù)不可分割的組成部分。傳統(tǒng)機(jī)械式水位計(jì)只能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場水位的測量與顯示,而沒有遠(yuǎn)傳信號的輸出功能,不利于對多個(gè)測量點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,而且這種水位計(jì)沒有報(bào)警功能或者報(bào)警方式單一,很難實(shí)現(xiàn)對汽包內(nèi)水位及時(shí)的控制與調(diào)節(jié)。智能電接點(diǎn)水位計(jì)以單片機(jī)為核心,用數(shù)字和模擬兩種方式實(shí)現(xiàn)水位動態(tài)顯示的新型儀表。它具有可設(shè)定的六個(gè)上下限水位聲光自動報(bào)警,同時(shí)帶有繼電器輸出功能。它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的只讀式機(jī)械水位計(jì)沒有遠(yuǎn)傳信號輸出的不足,實(shí)現(xiàn)了4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號的輸出功能。
2 水位測量原理
智能電接點(diǎn)水位計(jì)屬于連通管式水位計(jì),它的測量筒通過一個(gè)汽聯(lián)管和一個(gè)水聯(lián)管與汽包相連接。由于連通管的作用,在測量筒內(nèi)會出現(xiàn)與汽包等高度的水位。檢測裝置通過直接檢測對測量筒內(nèi)部水位就可以實(shí)現(xiàn)對汽包水位的間接檢測。如圖1所示。
智能電接點(diǎn)水位計(jì)的物理基礎(chǔ)是水和蒸汽有不同的電導(dǎo)率,在檢測方式上表現(xiàn)為蒸汽的電阻阻值大于水的電阻阻值。電接點(diǎn)水位計(jì)使用電極為檢測工具,通過對測量筒內(nèi)不同高度橫截面處介質(zhì)的電阻阻值進(jìn)行測量,確定測量筒內(nèi)蒸汽和水的分布情況,運(yùn)用相應(yīng)的算法,便可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的水位值。
3 系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)主要由激勵信號觸發(fā)單元、數(shù)據(jù)采集單元、聲光自動報(bào)警單元、電源模塊、單片機(jī)等部分構(gòu)成,系統(tǒng)框圖如圖2所示。
其中,單片機(jī)是Mcirochip公司生產(chǎn)的PIC16F877。它具有哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu),其最高可達(dá)160 ns的單指令運(yùn)行速度確保了系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。單片機(jī)內(nèi)部帶有10位的A/D轉(zhuǎn)換器,簡化了采樣電路的設(shè)計(jì)。單片機(jī)內(nèi)部還集成了256字節(jié)的EEPROM[3],可直接用于系統(tǒng)參數(shù)的保存。
3.1 信號激勵與檢測部分
該部分是智能電接點(diǎn)水位計(jì)的關(guān)鍵部分,它由激勵信號觸發(fā)單元和數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)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(yōu)點(diǎn)是減小了電解水效應(yīng)對系統(tǒng)測量的影響,但是,數(shù)據(jù)采樣電路的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。直流信號激勵的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)采樣電路設(shè)計(jì)簡單,實(shí)時(shí)性好,但是長時(shí)間的直流信號激勵會使水電解,電解后在電極附近會出現(xiàn)H+和O2-,這些離子之間存在的電勢差對檢測結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響。
在滿足系統(tǒng)測量精度要求的情況下,為了減小因水的電解效應(yīng)而導(dǎo)致的系統(tǒng)檢測誤差,系統(tǒng)結(jié)合兩種激勵方式的優(yōu)勢,設(shè)計(jì)了直流電壓信號時(shí)間斷續(xù)激勵方式,即由單片機(jī)產(chǎn)生直流電壓信號對電極進(jìn)行激勵,待數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后迅速停止激勵。雖然在數(shù)據(jù)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(xù)的,且從整體時(shí)序上看激勵信號施加的時(shí)間所占的比例很小,數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間短,由水解后產(chǎn)生的正、負(fù)離子之間的電勢差與由水阻所產(chǎn)生的電勢差相比很小,而且這些電解后在電極附近產(chǎn)生的正負(fù)離子在兩次激勵產(chǎn)生之間會隨著水的流動離開原來的位置,不會對下一次數(shù)據(jù)采樣產(chǎn)生影響,時(shí)序如圖3所示。
在測量筒上交錯(cuò)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(guān)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(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
系統(tǒng)對激勵信號的響應(yīng)采用電壓檢測的方式。激勵信號觸發(fā)之后,由單片機(jī)控制多路開關(guān)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(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。
圖4中的Ui為電極上的響應(yīng)電壓信號。此電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采樣的響應(yīng)時(shí)間,過長的響應(yīng)時(shí)間會增加激勵信號對水的電解作用,引入更大的誤差。系統(tǒng)選用的多路開關(guān)芯片為CD4051,它從輸入信號改變到穩(wěn)定輸出的時(shí)間小于55 ns,芯片對控制信號的響應(yīng)時(shí)間小于1μs,綜合考慮各種時(shí)間延遲因素,選通一路信號時(shí),電路的時(shí)間延遲可控制在幾個(gè)μs的數(shù)量級。系統(tǒng)選用的單片機(jī)為PIC16F877,內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器為10位,系統(tǒng)工作頻率為16 MHz晶振。A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)間為19. 72μs, A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為19. 2μs[3],考慮到多路開關(guān)的切換時(shí)間,一路數(shù)據(jù)采樣時(shí)間控制在40μs內(nèi),這個(gè)時(shí)間內(nèi)水的電解效應(yīng)對測量結(jié)果的影響是可以忽略的。
在對電極陣列施加激勵電壓時(shí),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(gè)電極上的電壓;Ri為第i個(gè)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(jī)中的運(yùn)算中是以數(shù)字量的形式出現(xiàn)的。所以,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,可以對式(1)改進(jìn)如下:
式中:Di為對第i個(gè)電極上電壓Ui進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量;D0為直流激勵電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量,D0=1 023。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,在鍋爐汽包兩側(cè)分別安裝了智能電接點(diǎn)水位計(jì)和基準(zhǔn)就地水位計(jì)進(jìn)行了測試。智能電接點(diǎn)水位計(jì)的測量結(jié)果與就地水位計(jì)相同,證明了所設(shè)計(jì)的信號激勵與檢測方式是可行的。
3.2 報(bào)警部分
聲光自動報(bào)警單元是本系統(tǒng)的重要組成部分,它共有六級報(bào)警———3個(gè)上限報(bào)警和3個(gè)下限報(bào)警。當(dāng)汽包內(nèi)水位高于某一個(gè)設(shè)定的上限水位或低于某一下限水位時(shí),系統(tǒng)自動啟動報(bào)警機(jī)制,相應(yīng)的報(bào)警燈點(diǎn)亮,同時(shí)揚(yáng)聲器按一定頻率發(fā)出響聲,報(bào)警級別越高揚(yáng)聲器發(fā)聲的頻率越高。當(dāng)報(bào)警機(jī)制啟動后,相應(yīng)的常開繼電器會自動閉合,可迅速啟動與液位計(jì)配套的調(diào)節(jié)機(jī)制,及時(shí)調(diào)節(jié)汽包水位。
聲光自動報(bào)警單元的組成如圖5所示。它由光電隔離器、報(bào)警繼電器、報(bào)警燈和報(bào)警揚(yáng)聲器組成。
6組光電隔離器與單片機(jī)的6個(gè)I/O口直接相連,用于控制6個(gè)繼電器啟動和關(guān)閉。當(dāng)I/O口被置為低電平時(shí),與之相連的光電隔離器打開,輸出端導(dǎo)通,常開的繼電器被閉合。相反,當(dāng)I/O口被置為高電平時(shí),與之相連的光電隔離器被關(guān)閉,輸出端截止,常開的繼電器自動打開。因?yàn)閱纹瑱C(jī)上用于報(bào)警繼電器控制的6個(gè)I/O口也與報(bào)警燈相連,所以在單片機(jī)在控制報(bào)警繼電器啟動時(shí),相應(yīng)的報(bào)警燈也可以自動點(diǎn)亮,發(fā)出光報(bào)警信號。這兩種報(bào)警方式并聯(lián)輸出的設(shè)計(jì)方法不但可以減少單片機(jī)I/O口資源的開銷量,而且不會由于一種報(bào)警方式的故障而導(dǎo)致整體報(bào)警機(jī)制的癱瘓。對于不同級別的聲報(bào)警,系統(tǒng)采用不同頻率報(bào)警音實(shí)現(xiàn)。報(bào)警揚(yáng)聲器通過限流電阻直接與單片機(jī)的I/O口相連接,根據(jù)報(bào)警級別,這個(gè)I/O口輸出不同頻率的方波信號,驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警音。這種設(shè)計(jì)方法同樣減少了報(bào)警電路對單片機(jī)I/O的開銷量,而且實(shí)現(xiàn)了報(bào)警級別的區(qū)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(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn),這個(gè)部分由交直流轉(zhuǎn)換電路和雙電源切換電路組成。
在雙電源切換電路設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)利用了三極管具有飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)工作狀態(tài)的特性,使用三極管作為切換開關(guān),設(shè)計(jì)了簡易、實(shí)用的雙電源切換電路。
如圖6所示,當(dāng)交流電源供電正常時(shí),交直流轉(zhuǎn)換電路能夠輸出+5 V、+12 V和+24 V 3個(gè)直流電壓。如圖4所示,通過電阻R1和R2對+12 V直流電壓進(jìn)行分壓后,在三極管的基極上出現(xiàn)+8 V的電壓信號,由于三極管集電極上電壓為+5 V,發(fā)射極上電壓為+6 V,三極管工作在截止?fàn)顟B(tài),電池供電電路被切斷,交流220 V為系統(tǒng)供電;當(dāng)交流供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),+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(fā)射極同時(shí)出現(xiàn)正向偏置,使它工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài),+6 V電池經(jīng)過0.4 V三極管壓降和0.7 V二極管壓降后,為系統(tǒng)提供了4.9 V的供電電壓,從而確保了系統(tǒng)的正常工作。
系統(tǒng)中的電池為容量2000 mAh的鎳氫電池,電池供電時(shí)流經(jīng)負(fù)載的電流為80 mA,理論計(jì)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(tǒng)供電,此時(shí)需要更換電池,由此而帶來了不必要的工作,因此系統(tǒng)的電源模塊中增加了自動充電機(jī)制。如圖6所示,當(dāng)系統(tǒng)采用交流220 V供電時(shí),如果電池電壓低于+6 V,經(jīng)比較器后,在充電三極管的基極上將會產(chǎn)生一個(gè)低電壓信號,使三極管導(dǎo)通,于是+12 V的充電電壓經(jīng)過限流電阻和二整流極管后可為電池充電。當(dāng)電池電壓超過6.9 V(根據(jù)充電曲線設(shè)定)后,比較器輸出高電平,充電三極管截止,完成充電。因?yàn)楸容^器輸出低電平至高電平電壓信號的變化是一個(gè)漸變的過程,所以電池的充電電流也是一個(gè)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(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件總體上分為數(shù)據(jù)采集功能模塊、參數(shù)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(gè)部分,如圖7所示。
數(shù)據(jù)采集模塊是系統(tǒng)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(jì)算模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊在軟件中每500 ms執(zhí)行一次,由定時(shí)器中斷觸發(fā)實(shí)現(xiàn),對被測對象進(jìn)行采樣。每次執(zhí)行時(shí),軟件首先控制單片機(jī)的RB6口,使其輸出高電平,建立激勵信號。然后,執(zhí)行信號檢測程序,由單片機(jī)控制多路開關(guān)循環(huán)第一個(gè)電極電壓進(jìn)行A/D采樣,采樣結(jié)束后,將RB6口置為低電平,并將A/D采樣的結(jié)果放入預(yù)先開辟好的數(shù)組中暫時(shí)保存。然后再次建立激勵信號,采樣下一個(gè)電極電壓,循環(huán)執(zhí)行這一過程,直至19路信號采集完畢。然后,軟件調(diào)用水位計(jì)算程序,對A/D采樣結(jié)果數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,計(jì)算出每一個(gè)電極高度的截面處的水阻或者汽阻的阻值。將這19個(gè)阻值逐一與預(yù)先設(shè)定好的汽、水分界值進(jìn)行比較后,系統(tǒng)就可辨別出測量筒內(nèi)部汽、水的分布情況,進(jìn)而計(jì)算出水位值。
系統(tǒng)的4個(gè)功能模塊在軟件中是采用事件驅(qū)動機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。每1種事件都被看作一個(gè)消息,在對每個(gè)消息進(jìn)行處理時(shí)使用消息處理函數(shù)的方式。系統(tǒng)主流程如圖8所示。
軟件對系統(tǒng)進(jìn)行初始化結(jié)束之后,為消息隊(duì)列在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)開辟空間,用于存放消息代碼,每個(gè)消息代碼代表一個(gè)事件。消息隊(duì)列為FIFO的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),即消息代碼從隊(duì)尾加入,從隊(duì)首讀取和刪除。當(dāng)事件滿足觸發(fā)條件后,這一事件所對應(yīng)的消息代碼會自動加入到消息隊(duì)列中等待處理。主程序不停地對消息隊(duì)列進(jìn)行訪問,當(dāng)檢測到消息隊(duì)列中有消息時(shí),系統(tǒng)自動從消息隊(duì)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(diào)用相應(yīng)的消息處理函數(shù)對消息進(jìn)行處理。軟件系統(tǒng)中的事件與消息的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
這種軟件編寫方法結(jié)構(gòu)清晰,模塊化強(qiáng),有很強(qiáng)的可讀性,容易實(shí)現(xiàn)軟件的移植。為了保證系統(tǒng)軟件運(yùn)行的可靠性,避免因系統(tǒng)受干擾后軟件跑飛而導(dǎo)致的系統(tǒng)死機(jī)現(xiàn)象,在系統(tǒng)軟件中使用了監(jiān)視定時(shí)器WDT和軟件陷阱技術(shù)。
5 結(jié)束語
結(jié)合交流激勵和直流激勵各自的優(yōu)點(diǎn),有針對性的對信號的激勵和檢測電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),使其更適用于該系統(tǒng)。在軟件編制中,系統(tǒng)應(yīng)用了事件驅(qū)動機(jī)制,增機(jī)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用測試和比較,智能電接點(diǎn)水位計(jì)與其他水位計(jì)相比具有運(yùn)行可靠、集成度高、功能全、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn),可以方便地應(yīng)用到大多數(shù)鍋爐汽包水位的測量中,提供穩(wěn)定可靠的水位信息。