一種鍋爐膨脹在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

潘鐸

（天津國電津能濱海熱電有限公司 天津市 300459）

引言

現(xiàn)有的鍋爐膨脹測量技術(shù)多為機(jī)械式測量儀，該類指示儀需要巡檢人員到現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)，水平刻度盤提供XY軸坐標(biāo)，懸針刻度提供Z軸坐標(biāo)，我廠每臺鍋爐在各個燃燒器、集箱、聯(lián)箱等處共安裝膨脹測量儀28個，每次啟動中需在原點、上水前、上水后、各壓力工況下記錄膨脹測量儀位置7次，膨脹情況記錄工作繁重。所以給出一種改造、安裝簡便，對現(xiàn)有量儀影響小的鍋爐膨脹在線監(jiān)測系統(tǒng)是我廠安全運行的需要。

1 方案設(shè)計

通過分析廣泛使用的機(jī)械量儀與現(xiàn)有各種改造方案我們發(fā)現(xiàn)，若直接使用直角坐標(biāo)系坐標(biāo)標(biāo)注膨脹監(jiān)測點坐標(biāo)，依此原理制作膨脹量儀在線監(jiān)測系統(tǒng)，至少需要安裝三套傳感器以提供完整坐標(biāo)，整個改造方案安裝復(fù)雜、部件多，對惡劣的露天工作環(huán)境耐受能力差。而相對直角坐標(biāo)系，我們發(fā)現(xiàn)球極坐標(biāo)系更適合兩點相對位置的測量，該種測量方法可以通過水平與豎直角度、點與原點相對距離直接表示點的位置。由于現(xiàn)有機(jī)械量儀水平刻度盤與量儀膨脹監(jiān)測點懸針均有固定螺栓，以水平刻度盤螺栓為原點，采用位移測量儀直接量取刻度盤固定螺栓與懸針螺栓的距離，并測量位移測量儀的水平、豎直角度，就可以直接表示出膨脹監(jiān)測點的坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變化就可以測量出該位置鍋爐的膨脹情況。該種測量方式只需要安裝一根位移測量儀，其它角度測量等功能均可以集成為一個電路板并安裝于位移測量儀上，安裝難度小。

現(xiàn)有國內(nèi)測量方案，均采用傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系方式對現(xiàn)有量儀進(jìn)行改造，加裝三組軸向位移傳感器，整體加裝設(shè)備成本較高，且由于鍋爐體積龐大，安裝維護(hù)難度大，且加裝后為保證測量系統(tǒng)運行不受環(huán)境影響，需加裝整體防護(hù)罩，防護(hù)罩影響就地儀表的讀取。我們設(shè)備由于采用拉桿式直線位移測量儀，且斜向下安裝，整體密封良好，內(nèi)部不存在進(jìn)水的情況，不需要遮蓋原有測量儀，同時滿足就地與遠(yuǎn)方讀取的需要。每個點位只需要安裝一個測量設(shè)備，設(shè)備采用兩顆原設(shè)備螺栓直連，安裝簡易，維護(hù)更換難度小。

2 設(shè)計原型

位移測量中，我們選用成本較低的拉桿式直線位移測量儀，其測量原理與滑動變阻器相似，通過拉伸安裝于監(jiān)測點與固定點之間的測量桿改變測量儀的電阻，從而將位移轉(zhuǎn)化為電信號送出，由于該種改造方案中量儀長度在四十至六十厘米左右，LVDT型測量儀雖精度高，但在該長度成本偏高，電阻式拉桿位移測量儀對惡劣環(huán)境耐受能力強(qiáng)，測量儀兩端采用萬向節(jié)與原機(jī)械量儀連接，固定端位于上方以防止拉桿進(jìn)水。

角度測量我們將ICM-42605陀螺儀固定于位移測量儀主體上以測量位移測量儀主體的傾斜角度，從而給出球極坐標(biāo)中所需兩個角度。該陀螺儀為9軸芯片可以給出自身X、Y、Z三軸角度及加速度并可附帶溫度補(bǔ)償，能適應(yīng)露天溫度變化范圍大的環(huán)境。我們設(shè)監(jiān)測點的球極坐標(biāo)（r，φ，θ），其中直線距離為r，與Y軸夾角為φ，與Z軸夾角為θ，可將其轉(zhuǎn)化為監(jiān)測點的直角坐標(biāo)以便于觀察膨脹數(shù)值，其中x=rsinθcosφ，y=rsinθsinφ，z=rcosθ。通過記錄各個工況下的直角坐標(biāo)，就可以直接計算出各工況下的膨脹大小。當(dāng)鍋爐發(fā)生膨脹時，監(jiān)測點位置發(fā)生變化，拉伸位移測量儀拉桿，使位移測量儀發(fā)生傾斜，其角度與測量長度發(fā)生相應(yīng)變化，通過現(xiàn)場電路向DCS系統(tǒng)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，若不考慮分別分析各個方向上的膨脹，可直接根據(jù)球極坐標(biāo)計算形變量

AD轉(zhuǎn)換電路選用芯片為MAX197,其與600mm位移變送器配合分辨精度約0.3mm滿足測量精度要求，位移變送器定制型號為24VDC供電，輸出為0-5V電壓信號。初步通訊采用485轉(zhuǎn)換電路部分選用max485芯片實現(xiàn)。

綜上，我們通過單片機(jī)完成位移測量、角度測量，并轉(zhuǎn)換為485輸出的功能。由于鍋爐膨脹測點數(shù)量多，為降低通訊電纜布設(shè)難度，減少上位機(jī)通訊接口數(shù)量，減少電纜用量，我們設(shè)計采用4G無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或成熟的DTU產(chǎn)品的方式完成485信號與DCS系統(tǒng)信號的傳輸，供電由電路板集成。

DCS側(cè)采用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或DTU，將各監(jiān)測點實時膨脹參數(shù)依次傳輸至DCS中，并通過畫面進(jìn)行直觀顯示。DCS側(cè)采用人工觸發(fā)方式記錄個點膨脹情況，每點設(shè)6個寄存器可保持6組歷史數(shù)據(jù)，并顯示實時數(shù)據(jù)，以方便運行人員完成單次啟動過程中的監(jiān)測。通過長期運行，該系統(tǒng)可以計算出各工況下膨脹常規(guī)值，以形成經(jīng)驗報警值，當(dāng)鍋爐發(fā)生異常膨脹時進(jìn)行報警，以引起運行人員注意。

3 結(jié)語

綜上，我們以陀螺儀與直線位移測量儀為核心設(shè)計了一套依據(jù)球極坐標(biāo)系進(jìn)行鍋爐膨脹測量的設(shè)計方案。隨陀螺儀技術(shù)更新，現(xiàn)有陀螺儀精度等級不斷提高，球極坐標(biāo)系測量代替?zhèn)鹘y(tǒng)直角立體坐標(biāo)系的測量已經(jīng)切實可行，我們相信這種簡便的測量方式會在工業(yè)領(lǐng)域不斷推廣。