蒸汽炉非接触式水盒水位检测技术应用

来源:用户上传      作者:钟广雄 何春华 黎青海

　　摘   要：传统蒸汽炉水盒采用浮标式进行水位测量，容易污染水位，而且无法实现多档水位的准确检测。文章提出一种非接触式多档水盒水位检测技术。在详细的电容水位测量理论基础上，通过在蒸汽炉水盒外壁安装电容水位检测模块，使用变频斜率的水位判断算法，实现了蒸汽炉水盒多档水位测量。采用DOE方法设置水位判断阈值，大大提高水位判断的一致性与准确性。实验结果表明，本技术可实现蒸汽炉水盒多档水位的精准测量。DOE的水位阈值设置方法可有效兼容水盒安装误差和水温差异，提高水位检测的一致性与可靠性。
　　关键词：蒸汽炉;非接触电容式水位检测;变频斜率检测;实验设计阈值设置
　　随着企业对蒸汽的需求越来越多，近年来，蒸汽炉越来越受欢迎[1]。目前，市面上普通的蒸汽炉中水盒水位的检测方法主要有浮标式[2]和探针式[3]。这两种都是接触式测量方法，浮标法通常基于电磁或霍尔效应等原理完成水位检测，通常只有两档，用于检测高、低水位，缺点是浮标容易污染水质，并且无法对水位作更精确的区分。探针法基于电容原理完成水位检测[4-6]，检测档位的多少取决于探针的多少，缺点是水盒结构设计复杂、电路引线麻烦且不方便用户取出加水。
　　本研究利用电容检测技术[7]提出一种用于蒸汽炉中水盒水位检测的非接触式水位测量技术[8]，并且通过使用变频斜率比较的算法来排除环境噪声对电容的影响[9]，确保水位测量的可靠性及准确度。同时，提出实验设计（Design of Experiment，DOE）[10]斜率阈值设置方法，兼容水盒安装误差以及水温误差，确保了水位检测的准确性和一致性。
　　1    非接触式水盒水位检测方法
　　1.1  系统设计
　　蒸汽炉非接触电容式水盒水位检测系统主要包括水盒和水位检测电路模块两大部分，如图1所示。
　　（1）水盒：为蒸汽发生器提供水源。为了实现电容检测，水盒与水位检测电路邻近部分的容器壁材料必须是绝缘、非导电的。
　　（2）水位检测电路模块：主要包括电容极板、电容检测芯片、输出接口等。
　　水盒水位安装结构如图2所示，水盒安装在外罩里面，水位检测模块安装于外罩后侧壁，与水盒等高且平行，印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）的电容极板朝向水盒侧壁安装，外罩用于固定水盒和水位检测模块。水位检测模块可安装在外罩后背板外或外罩左右侧板，为保证检测灵敏度，水盒与水位检测模块的间隙应不大于2 mm，电容极板面积优选为300 mm2。
　　1.2  非接触水位检测原理
　　以第i档（i=1，2，…，n）的触摸电容Ci为例进行原理说明，其他档位的检测原理类似。電容检测电路采用跨阻放大器检测电路，根据其原理得到：
　　（1）
　　其中，Vc为高频正弦载波信号，它的幅度与频率分别为V0和f，放大器输出电压为Vi，Cf为反馈电容，Rf为反馈电阻，Cpi为寄生电容（对于固定的电路结构与布局布线，寄生电容Cpi为固定值）。
　　（2）
　　其中，ε0为真空介电常数，εri为材料的相对介电常数，空气的相对介电常数接近1，而水的介电常数约为81.5，二者差别较大，这是电容式水位检测理论的基础。S为电容面积，d为电容间距。当1>>ωCfRf时，公式（1）可简化为：
　　（3）
　　则Vi的幅度Vim为：
　　（4）
　　考虑到运放会存在失配的直流电压Vpi，因此有：
　　（5）
　　其中，斜率ki为：
　　（6）
　　由于不同档位电容连接的运放不同，因此，公式（5）中失配直流电压Vpi也将不同，若简单地使用输出电压幅度Vim做水位判断，则容易导致误判、降低测量精度。对此，采用斜率比较法做水位判断，从而消除不同运放Vpi的差异性带来的影响。
　　公式（5—6）表明，高频正弦载波信号的频率f与读出信号的幅度Vim为线性关系，并且斜率ki与相对介电常数εri也为线性关系。由于V0，Rf，ε0，S，d和Cpi均为常数，因此，通过测定斜率ki即可判断相对介电常数εri的大小，从而判断电容中的电介质是水还是空气。
　　1.3  检测的步骤
　　（1）为了提高信噪比，采用斜率比较法，选取3个载波频率（f1，f2，f3）用于计算2个斜率值，通过2个斜率值求平均以抑制测量噪声干扰。例如，分别设置高频正弦载波信号的频率为200 kHz，600 kHz和1 000 kHz，然后测试得到不同载波信号下输出的电压信号幅度Vim1，Vim2和Vim3。
　　（2）根据载波频率和对应输出幅度计算出斜率ki值（均值）：
　　（7）
　　（3）将检测得到的斜率ki与预设的斜率阈值ki0作对比，若ki大于ki0，则判断该触摸屏电容对应的位置有水，否则判为无水。
　　电路中不同档位检测电路的布局布线不同，因此，寄生电容的大小也不同;此外，不同档位对应的电容面积和电容间距可能存在微小的加工误差，从而导致参数不完全一致，根据公式（6）可知，不同档位的触摸电容对应的斜率阈值也将不同，需提前分别测试确定。
　　2    变频斜率阈值的设置方法
　　从公式（5—7）中可知，影响测量斜率的因素为测量介质的介电常数以及测量的距离，水盒中的介质为水，它的介电常数受温度影响，同时，测量距离受安装偏差的影响。为了避免温度和安装偏差带来的影响，斜率阈值ki0的确定方法如下：
　　（1）无水状态下，在0～60 ℃，考虑最小和最大的水盒安装偏差，分别测量不同情况下的斜率，并求出这些斜率的最大值ki max。 　　（2）有水状态下，在0～60 ℃，考虑最小和最大的水盒安装偏差，分别测量不同情况下的斜率，并求出这些斜率的最小值ki min。
　　（3）则斜率阈值ki0为：ki0=（ki max+ki min）÷2。
　　其中，i为水位档数的编号，i=1，2，…，n。
　　3    测试与验证
　　为了验证本技术的有效性及稳定性，采用5档的水位检测模块，采用如图3所示的测试工装进行验证。
　　3.1  斜率阈值设置测试
　　由于不同水盒的材质不同，其对应的斜率阈值也不同，以5个档水位检测为例，5个不同档位电容对应斜率阈值数据如表1所示。
　　从上述设置数据可见，根据变频方法，有水与无水状态下斜率差别较大，通过不同档位制定不同的斜率阈值，可有效消除寄生电容、加工误差和安装偏差带来的影响，极大提高了检测灵敏度。
　　3.2  水位判断实验
　　当该档位的实时斜率数据大于档位阈值，则该档位有水，否则该档位没水。结合5个档位通道的档位状态，把水盒划分为0—5档水位状态。为验证水盒水位测量的有效性及稳定性进行以下实验：
　　实验一，在水盒满水时，监测不同水温以及安装误差时的各通道的斜率值。从实验数据可以看出，通道的电容斜率值受水温和安装的误差的影响而产生变化，但水位档位值并不受其影响而产生变化，如表2所示。
　　实验二，在水盒水位实际处于3档时，通过集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，IIC）通信每秒读取水位档位值，进行长时间监测得到数据曲线。采集60 000组数据（约16 h），输出的水位状态均稳定在3档。可见，水位检测具有很高的准确性以及可靠性。
　　4    结语
　　本文提出一种非接触式多档水盒水位检测技术。通过详细的电容水位测量理论推导分析，提出使用变频斜率比较的水位判断算法，在蒸汽炉上实现对水盒多档水位的准确检测。同时，提出了基于DOE方法的水位阈值设置方法。实验结果表明，使用DOE水位阈值设置方法，能有效降低安装误差以及水温误差对水位判断的影响，大大提高水位判断的一致性与可靠性，从而提升蒸汽炉水盒水位测量的准确性。
　　[参考文獻]
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　　[10]闵亚能.实验设计（DOE）应用指南[M].北京：机械工业出版社，2011.
　　Application on water level detection technology of non-contact water box
　　for steam furnace
　　Zhong Guangxiong1， He Chunhua2*， Li Qinghai2
　　（1.South China University of Technology， Guangzhou 510641， China; 2.Midea Group， Foshan 528311， China）
　　Abstract：The traditional steam boiler water box adopts buoy type to measure the water level， which is easy to pollute the water level， and it is unable to realize the accurate detection of multiple water levels. In this paper， a non-contact water level detection technology for multiple water boxes is proposed. Based on the detailed theory of capacitance water level measurement， by installing the capacitance water level detection module on the outer wall of the steam boiler water box and using the water level judgment algorithm of frequency conversion slope， the multi-stage water level measurement of the steam boiler water box is realized. DOE method is used to set the threshold value of water level judgment， which greatly improves the consistency and accuracy of water level judgment. The experimental results show that the technology can realize the accurate measurement of the water level in the water box of the steam boiler. DOE’s water level threshold setting method can effectively compatible with water box installation error and water temperature difference， and improve the consistency and reliability of water level detection.
　　Key words：steam furnace; non-contact capacitive water level detection; frequency conversion slope detection; design of experiment threshold setting
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