[导读] 介绍了智能电接点水位计的水位测量原理及其系统的基本结构。通过分析直流电信号与水的电解效应的关系,提出了适用于该系统的直流电压信号时间断续方式的信号激励电路和相应的信号检测电路的设计方法。根据工业现场的要求,设计了六级报警机制;描述了应用事件驱动机制的软件设计思想。
1 引言
锅炉汽包水位是锅炉运行的重要参数,它直接影响锅炉运行的安全性和经济性,因此,锅炉汽包水位的正确测量和控制是锅炉安全运行的重要研究方向。电接点水位计作为监控水位的主要仪表,具有很好地耐高温、高压的能力及很高的安全性、可靠性和稳定性,已经成为热工水位保护不可分割的组成部分。传统机械式水位计只能实现现场水位的测量与显示,而没有远传信号的输出功能,不利于对多个测量点的实时监控,而且这种水位计没有报警功能或者报警方式单一,很难实现对汽包内水位及时的控制与调节。智能电接点水位计以单片机为核心,用数字和模拟两种方式实现水位动态显示的新型仪表。它具有可设定的六个上下限水位声光自动报警,同时带有继电器输出功能。它弥补了传统的只读式机械水位计没有远传信号输出的不足,实现了4~20 mA标准电流信号的输出功能。
2 水位测量原理
智能电接点水位计属于连通管式水位计,它的测量筒通过一个汽联管和一个水联管与汽包相连接。由于连通管的作用,在测量筒内会出现与汽包等高度的水位。检测装置通过直接检测对测量筒内部水位就可以实现对汽包水位的间接检测。如图1所示。
智能电接点水位计的物理基础是水和蒸汽有不同的电导率,在检测方式上表现为蒸汽的电阻阻值大于水的电阻阻值。电接点水位计使用电极为检测工具,通过对测量筒内不同高度横截面处介质的电阻阻值进行测量,确定测量筒内蒸汽和水的分布情况,运用相应的算法,便可以计算出实时的水位值。
3 系统构成及实现
系统主要由激励信号触发单元、数据采集单元、声光自动报警单元、电源模块、单片机等部分构成,系统框图如图2所示。
其中,单片机是Mcirochip公司生产的PIC16F877。它具有哈佛(Harvard)双总线和两级指令流水线结构,其最高可达160 ns的单指令运行速度确保了系统对实时性的要求。单片机内部带有10位的A/D转换器,简化了采样电路的设计。单片机内部还集成了256字节的EEPROM[3],可直接用于系统参数的保存。
3.1 信号激励与检测部分
该部分是智能电接点水位计的关键部分,它由激励信号触发单元和数据采集单元构成。激励信号可分为交流激励和直流激励,交流信号激励的优点是减小了电解水效应对系统测量的影响,但是,数据采样电路的设计相当复杂。直流信号激励的优势在于数据采样电路设计简单,实时性好,但是长时间的直流信号激励会使水电解,电解后在电极附近会出现H+和O2-,这些离子之间存在的电势差对检测结果会产生一定的影响。
在满足系统测量精度要求的情况下,为了减小因水的电解效应而导致的系统检测误差,系统结合两种激励方式的优势,设计了直流电压信号时间断续激励方式,即由单片机产生直流电压信号对电极进行激励,待数据采样结束后迅速停止激励。虽然在数据采样过程中直流电压激励信号也对水有一定的电解作用,但是由于激励信号的施加是断续的,且从整体时序上看激励信号施加的时间所占的比例很小,数据采样的时间短,由水解后产生的正、负离子之间的电势差与由水阻所产生的电势差相比很小,而且这些电解后在电极附近产生的正负离子在两次激励产生之间会随着水的流动离开原来的位置,不会对下一次数据采样产生影响,时序如图3所示。
在测量筒上交错安装有电极阵列,如图4所示,激励信号通过限流电阻R施加到电极上,建立电流回路,i为回路电流信号。电流密度越大,水的电解作用越明显,于是,限流电阻的选择也很关键。假定饱和水的阻值为50 kΩ,激励电压为+5 V,电极阵列的电极直径为2 mm(电极横截面积0.126 cm2)。为了满足对电流密度的要求,R选取阻值为510 kΩ,计算得电极上的电流密度为0.071 mA/cm2,此电流密度对水的电解作用很微弱,满足了系统设计的要求。
系统对激励信号的响应采用电压检测的方式。激励信号触发之后,由单片机控制多路开关电路选通电极阵列中的电极,对电极电压Ui采样后送至单片机的A/D转换器进行处理。
图4中的Ui为电极上的响应电压信号。此电路设计的关键是数据采样的响应时间,过长的响应时间会增加激励信号对水的电解作用,引入更大的误差。系统选用的多路开关芯片为CD4051,它从输入信号改变到稳定输出的时间小于55 ns,芯片对控制信号的响应时间小于1μs,综合考虑各种时间延迟因素,选通一路信号时,电路的时间延迟可控制在几个μs的数量级。系统选用的单片机为PIC16F877,内部A/D转换器为10位,系统工作频率为16 MHz晶振。A/D转换器采样时间为19. 72μs, A/D转换时间为19. 2μs[3],考虑到多路开关的切换时间,一路数据采样时间控制在40μs内,这个时间内水的电解效应对测量结果的影响是可以忽略的。
在对电极阵列施加激励电压时,电极阵列上电极电压与汽、水阻值分布及激励电压满足式(1)。
式中:Ui为第i个电极上的电压;Ri为第i个电极上水阻或者汽阻的阻值;R为限流电阻,取值为510 KΩ。
式(1)中的电极电压Ui在单片机中的运算中是以数字量的形式出现的。所以,经过A/D转换后,可以对式(1)改进如下:
式中:Di为对第i个电极上电压Ui进行A/D转换后得到的数字量;D0为直流激励电压经过A/D转换后得到的数字量,D0=1 023。
系统设计完成后,在锅炉汽包两侧分别安装了智能电接点水位计和基准就地水位计进行了测试。智能电接点水位计的测量结果与就地水位计相同,证明了所设计的信号激励与检测方式是可行的。
3.2 报警部分
声光自动报警单元是本系统的重要组成部分,它共有六级报警———3个上限报警和3个下限报警。当汽包内水位高于某一个设定的上限水位或低于某一下限水位时,系统自动启动报警机制,相应的报警灯点亮,同时扬声器按一定频率发出响声,报警级别越高扬声器发声的频率越高。当报警机制启动后,相应的常开继电器会自动闭合,可迅速启动与液位计配套的调节机制,及时调节汽包水位。
声光自动报警单元的组成如图5所示。它由光电隔离器、报警继电器、报警灯和报警扬声器组成。
6组光电隔离器与单片机的6个I/O口直接相连,用于控制6个继电器启动和关闭。当I/O口被置为低电平时,与之相连的光电隔离器打开,输出端导通,常开的继电器被闭合。相反,当I/O口被置为高电平时,与之相连的光电隔离器被关闭,输出端截止,常开的继电器自动打开。因为单片机上用于报警继电器控制的6个I/O口也与报警灯相连,所以在单片机在控制报警继电器启动时,相应的报警灯也可以自动点亮,发出光报警信号。这两种报警方式并联输出的设计方法不但可以减少单片机I/O口资源的开销量,而且不会由于一种报警方式的故障而导致整体报警机制的瘫痪。对于不同级别的声报警,系统采用不同频率报警音实现。报警扬声器通过限流电阻直接与单片机的I/O口相连接,根据报警级别,这个I/O口输出不同频率的方波信号,驱动扬声器发出报警音。这种设计方法同样减少了报警电路对单片机I/O的开销量,而且实现了报警级别的区分。
3.3 电源控制部分
交流220 V和直流6 V电池双电源供电是也系统的一个特点,这个部分由交直流转换电路和双电源切换电路组成。
在双电源切换电路设计中,系统利用了三极管具有饱和导通和截止两个工作状态的特性,使用三极管作为切换开关,设计了简易、实用的双电源切换电路。
如图6所示,当交流电源供电正常时,交直流转换电路能够输出+5 V、+12 V和+24 V 3个直流电压。如图4所示,通过电阻R1和R2对+12 V直流电压进行分压后,在三极管的基极上出现+8 V的电压信号,由于三极管集电极上电压为+5 V,发射极上电压为+6 V,三极管工作在截止状态,电池供电电路被切断,交流220 V为系统供电;当交流供电系统出现故障时,+12 V直流电压输出端不能输出+12 V直流电压,三极管的集电极和发射极同时出现正向偏置,使它工作在饱和导通状态,+6 V电池经过0.4 V三极管压降和0.7 V二极管压降后,为系统提供了4.9 V的供电电压,从而确保了系统的正常工作。
系统中的电池为容量2000 mAh的镍氢电池,电池供电时流经负载的电流为80 mA,理论计算后电池供电25 h后,电池电压将会降到+5 V,不能在为系统供电,此时需要更换电池,由此而带来了不必要的工作,因此系统的电源模块中增加了自动充电机制。如图6所示,当系统采用交流220 V供电时,如果电池电压低于+6 V,经比较器后,在充电三极管的基极上将会产生一个低电压信号,使三极管导通,于是+12 V的充电电压经过限流电阻和二整流极管后可为电池充电。当电池电压超过6.9 V(根据充电曲线设定)后,比较器输出高电平,充电三极管截止,完成充电。因为比较器输出低电平至高电平电压信号的变化是一个渐变的过程,所以电池的充电电流也是一个从大至小的渐变过程,避免了大电流对电池的冲击,增加了充电电池的使用寿命。
4 软件设计
系统软件总体上分为数据采集功能模块、参数读写功能模块、键盘扫描功能模块和输出刷新功能模块4个部分,如图7所示。
数据采集模块是系统软件的核心单元,主要由信号激励模块、信号检测模块和水位计算模块组成。数据采集模块在软件中每500 ms执行一次,由定时器中断触发实现,对被测对象进行采样。每次执行时,软件首先控制单片机的RB6口,使其输出高电平,建立激励信号。然后,执行信号检测程序,由单片机控制多路开关循环第一个电极电压进行A/D采样,采样结束后,将RB6口置为低电平,并将A/D采样的结果放入预先开辟好的数组中暂时保存。然后再次建立激励信号,采样下一个电极电压,循环执行这一过程,直至19路信号采集完毕。然后,软件调用水位计算程序,对A/D采样结果数组内的数据进行预处理,计算出每一个电极高度的截面处的水阻或者汽阻的阻值。将这19个阻值逐一与预先设定好的汽、水分界值进行比较后,系统就可辨别出测量筒内部汽、水的分布情况,进而计算出水位值。
系统的4个功能模块在软件中是采用事件驱动机制实现的。每1种事件都被看作一个消息,在对每个消息进行处理时使用消息处理函数的方式。系统主流程如图8所示。
软件对系统进行初始化结束之后,为消息队列在数据存储器内开辟空间,用于存放消息代码,每个消息代码代表一个事件。消息队列为FIFO的数据结构,即消息代码从队尾加入,从队首读取和删除。当事件满足触发条件后,这一事件所对应的消息代码会自动加入到消息队列中等待处理。主程序不停地对消息队列进行访问,当检测到消息队列中有消息时,系统自动从消息队列中读出消息代码,被读取的消息代码首先被解析,判断消息类型,然后软件调用相应的消息处理函数对消息进行处理。软件系统中的事件与消息的对应关系如表1所示。
这种软件编写方法结构清晰,模块化强,有很强的可读性,容易实现软件的移植。为了保证系统软件运行的可靠性,避免因系统受干扰后软件跑飞而导致的系统死机现象,在系统软件中使用了监视定时器WDT和软件陷阱技术。
5 结束语
结合交流激励和直流激励各自的优点,有针对性的对信号的激励和检测电路进行了设计,使其更适用于该系统。在软件编制中,系统应用了事件驱动机制,增机了系统运行的稳定性。经现场应用测试和比较,智能电接点水位计与其他水位计相比具有运行可靠、集成度高、功能全、实时性好等优点,可以方便地应用到大多数锅炉汽包水位的测量中,提供稳定可靠的水位信息。