一种智能型电容式蒸汽锅炉水位变送器的研究与设计

郭宏伟 肖培林 李学鹏

（1.沈阳铁路局科学技术研究所，辽宁 沈阳 110000；2.沈阳铁路局沈阳供电段，辽宁 沈阳 110000）

1 概述

蒸汽锅炉水位是一个必须监控的重要参数，目前使用的监测蒸汽锅炉水位的方法主要有三种：一是开关量输出。这种方式可靠性高，不足是开关量输出，一次性补水量过多，会造成蒸汽压力、温度下降过多，供热不稳。第二种方式是第一种方式的扩展，将蒸汽锅炉水位开关量输出由四档变成八档，只不过是增加了另一种监测手段，仍不能做到连续水位信号输出。第三种方式是目前实现蒸汽锅炉变频自动补水最常采用的方式，这种方式要求将蒸汽锅炉水位和冷凝水位降温，外引至差压变送器，引水管满管不能有气泡，不能有堵塞，须定期疏通排污。排污时须按严格的操作步骤操作平衡阀，否则会造成差压传感器膜片的永久性击穿。电容式蒸汽锅炉水位计是一种新型的电容式连续蒸汽锅炉水位测量仪表，但大都由分立元器件组成，受干扰、温漂大、标定难，不具备智能的功能。针对上述问题，本文设计一种智能型电容式蒸汽锅炉水位变送器，该变送器有较强的抗干扰能力，并且温漂小，现场标定简单易行。

图1 电气原理图

2 工作原理

电容式物位测量原理是基于电容器之电容量的变化，电容器实际上由筒壁与安装于壁上但与其电绝缘的探头组成。由于蒸汽介电常数大于空气的介电常数，故探头被锅炉水完全浸没时，系统电容量必定大于探头被部分浸没或完全裸露时的系统电容量。锅炉水位高度与电容变化量成正比，变送器中的振荡电路可以把锅炉水位变化引起的电容量改变转换为频率的变化，经过CPU运算处理实现蒸汽锅炉水位的连续测量。

3 电路设计

智能型电容式蒸汽锅炉水位变送器的电路主要包括DC/DC隔离、μC微处理器及脉宽调制输出、电容振荡电路、等电位驱动电路、键盘显示、PWM输出光电隔离、4-20mA调制输出电路，其电气原理如图1所示。

3.1 DC/DC隔离

由于物位变送器要进行远距离传输，且还要接入其它数据采集系统，这些因素因异地“电势地”不等电位，以及数据采集系统的数字电路噪声会对变送器产生电磁干扰。如果不采取有效措施，微弱的罐体电容有用信号会湮灭在噪声中而不能被有效识别。因此必须将微处理器及相关电路与外围驱动电路实行DC/DC或光电隔离。

这里的DC/DC隔离指的是利用外围驱动电路提供的+5V调制电源，采用变压器隔离方式为μC微处理器及外围电路提供+3V电源。需要特别指出的是，满足变送器4-20mA输出的μC微处理器及外围电路加上4-20mA调制电路的静态总功耗不能超过3.5mA，市面上销售的DC/DC隔离电源空载时远超过4mA，不能用做变送器的DC/DC隔离电源，在此必须用晶体管以自激方式搭建DC/DC低功耗隔离电源。

3.2 μC微处理器及脉宽调制输出

μC微处理器是智能型蒸汽锅炉变送器的核心处理单元，负责电容振荡频率计数的采集、电容量与振荡频率的非线性处理、重要标定参数存储、键盘操作显示、用于4-20mA调制的脉宽调制输出等。

3.3 电容振荡电路

利用微处理器中的一个比较器，外加几个电阻，便和罐体电容构成振荡电路，振荡频率从几十kHz到几百kHz。初始状态时Vo输出高电平约为Vdd（+3V），通过R4给罐体电容Cx充电，此时VaH=R3/（R1//R2+R3）*Vdd；当 Cx充电至高于VaH的瞬间，比较器翻转输出低电平约为GND，Cx通过R4放电，此时 VaL=（R3//R2）/（R1+R3//R2）*Vdd； 当 Cx放电低于VaL的瞬间，比较器翻转输出高电平，如此反复构成电容振荡发生器，振荡发生器电路如图2所示。

3.4 等电位驱动电路

图2 电容振荡电路

为了防止在中心电极上会造成的物位测量误差，构造一个与中心电极等电位的第三电极，使其位于：中心电极——地电位（罐壁）——第三电极——地（罐壁）的位置，由于中心电极与第三电极电位相同，阻止了粘附在中心电极上粘附物上的电磁场通过，从而消除物位测量误差。

图3 4-20mA调制输出电路原理

图4 现场试用情况

3.5 PWM输出光电隔离电路

将物位PWM信号与变送电路进行光电隔离可大大提供变送器的抗干扰能力。同样基于4-20mA调制电路的静态总功耗不能超过3.5mA的要求，需对光电隔离采取特殊措施。

3.6 4～20mA调制输出电路

4～20mA调制输出电路原理如图3所示，正常工作时，运放的输入端可视为高阻等电位，故有：

取R1=2.475kΩ，R2=25Ω 故：Io=100Vin/Rin

使物位PWM输出经光电隔离滤波后的电压为0.4-2.0V，Rin取10k，则Io输出4-20mA。

4 现场试用

设计的智能型电容式蒸汽锅炉水位变送器在沈东机械总厂蒸汽锅炉控制系统基础上运行，直接替换进口差压式水位变送器，用于变频补水控制，现场布置图片如图4所示。经现场试用，使用效果良好。

结语

文中研制的智能型电容式蒸汽锅炉水位变送器，测量量程大，线性好，量程变化范围自适应，无需分段，操作简单，适应性强，可在高温、高压环境下连续工作，结构简单，适用于所有饱和蒸汽锅炉水位的测量。

[1]BURR-BROWN,4-20mA CURRENT LOOP TRANSMITTERS,2000.

[2]NXP Semiconductors,P89LPC970/971/972 User manual.23 October 2009.