蒸汽爐非接觸式水盒水位檢測技術(shù)應(yīng)用

鐘廣雄 何春華 黎青海

摘? ?要：傳統(tǒng)蒸汽爐水盒采用浮標式進行水位測量，容易污染水位，而且無法實現(xiàn)多檔水位的準確檢測。文章提出一種非接觸式多檔水盒水位檢測技術(shù)。在詳細的電容水位測量理論基礎(chǔ)上，通過在蒸汽爐水盒外壁安裝電容水位檢測模塊，使用變頻斜率的水位判斷算法，實現(xiàn)了蒸汽爐水盒多檔水位測量。采用DOE方法設(shè)置水位判斷閾值，大大提高水位判斷的一致性與準確性。實驗結(jié)果表明，本技術(shù)可實現(xiàn)蒸汽爐水盒多檔水位的精準測量。DOE的水位閾值設(shè)置方法可有效兼容水盒安裝誤差和水溫差異，提高水位檢測的一致性與可靠性。

關(guān)鍵詞：蒸汽爐;非接觸電容式水位檢測;變頻斜率檢測;實驗設(shè)計閾值設(shè)置

隨著企業(yè)對蒸汽的需求越來越多，近年來，蒸汽爐越來越受歡迎[1]。目前，市面上普通的蒸汽爐中水盒水位的檢測方法主要有浮標式[2]和探針式[3]。這兩種都是接觸式測量方法，浮標法通?；陔姶呕蚧魻栃?yīng)等原理完成水位檢測，通常只有兩檔，用于檢測高、低水位，缺點是浮標容易污染水質(zhì)，并且無法對水位作更精確的區(qū)分。探針法基于電容原理完成水位檢測[4-6]，檢測檔位的多少取決于探針的多少，缺點是水盒結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、電路引線麻煩且不方便用戶取出加水。

本研究利用電容檢測技術(shù)[7]提出一種用于蒸汽爐中水盒水位檢測的非接觸式水位測量技術(shù)[8]，并且通過使用變頻斜率比較的算法來排除環(huán)境噪聲對電容的影響[9]，確保水位測量的可靠性及準確度。同時，提出實驗設(shè)計（Design of Experiment，DOE）[10]斜率閾值設(shè)置方法，兼容水盒安裝誤差以及水溫誤差，確保了水位檢測的準確性和一致性。

1? ? 非接觸式水盒水位檢測方法

1.1? 系統(tǒng)設(shè)計

蒸汽爐非接觸電容式水盒水位檢測系統(tǒng)主要包括水盒和水位檢測電路模塊兩大部分，如圖1所示。

（1）水盒：為蒸汽發(fā)生器提供水源。為了實現(xiàn)電容檢測，水盒與水位檢測電路鄰近部分的容器壁材料必須是絕緣、非導(dǎo)電的。

（2）水位檢測電路模塊：主要包括電容極板、電容檢測芯片、輸出接口等。

水盒水位安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，水盒安裝在外罩里面，水位檢測模塊安裝于外罩后側(cè)壁，與水盒等高且平行，印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的電容極板朝向水盒側(cè)壁安裝，外罩用于固定水盒和水位檢測模塊。水位檢測模塊可安裝在外罩后背板外或外罩左右側(cè)板，為保證檢測靈敏度，水盒與水位檢測模塊的間隙應(yīng)不大于2 mm，電容極板面積優(yōu)選為300 mm2。

1.2? 非接觸水位檢測原理

以第i檔（i=1，2，…，n）的觸摸電容Ci為例進行原理說明，其他檔位的檢測原理類似。電容檢測電路采用跨阻放大器檢測電路，根據(jù)其原理得到：

（1）

其中，Vc為高頻正弦載波信號，它的幅度與頻率分別為V0和f，放大器輸出電壓為Vi，Cf為反饋電容，Rf為反饋電阻，Cpi為寄生電容（對于固定的電路結(jié)構(gòu)與布局布線，寄生電容Cpi為固定值）。

（2）

其中，ε0為真空介電常數(shù)，εri為材料的相對介電常數(shù)，空氣的相對介電常數(shù)接近1，而水的介電常數(shù)約為81.5，二者差別較大，這是電容式水位檢測理論的基礎(chǔ)。S為電容面積，d為電容間距。當(dāng)1>>ωCfRf時，公式（1）可簡化為：

（3）

則Vi的幅度Vim為：

（4）

考慮到運放會存在失配的直流電壓Vpi，因此有：

（5）

其中，斜率ki為：

（6）

由于不同檔位電容連接的運放不同，因此，公式（5）中失配直流電壓Vpi也將不同，若簡單地使用輸出電壓幅度Vim做水位判斷，則容易導(dǎo)致誤判、降低測量精度。對此，采用斜率比較法做水位判斷，從而消除不同運放Vpi的差異性帶來的影響。

公式（5—6）表明，高頻正弦載波信號的頻率f與讀出信號的幅度Vim為線性關(guān)系，并且斜率ki與相對介電常數(shù)εri也為線性關(guān)系。由于V0，Rf，ε0，S，d和Cpi均為常數(shù)，因此，通過測定斜率ki即可判斷相對介電常數(shù)εri的大小，從而判斷電容中的電介質(zhì)是水還是空氣。

1.3? 檢測的步驟

（1）為了提高信噪比，采用斜率比較法，選取3個載波頻率（f1，f2，f3）用于計算2個斜率值，通過2個斜率值求平均以抑制測量噪聲干擾。例如，分別設(shè)置高頻正弦載波信號的頻率為200 kHz，600 kHz和1 000 kHz，然后測試得到不同載波信號下輸出的電壓信號幅度Vim1，Vim2和Vim3。

（2）根據(jù)載波頻率和對應(yīng)輸出幅度計算出斜率ki值（均值）：

（7）

（3）將檢測得到的斜率ki與預(yù)設(shè)的斜率閾值ki0作對比，若ki大于ki0，則判斷該觸摸屏電容對應(yīng)的位置有水，否則判為無水。

電路中不同檔位檢測電路的布局布線不同，因此，寄生電容的大小也不同;此外，不同檔位對應(yīng)的電容面積和電容間距可能存在微小的加工誤差，從而導(dǎo)致參數(shù)不完全一致，根據(jù)公式（6）可知，不同檔位的觸摸電容對應(yīng)的斜率閾值也將不同，需提前分別測試確定。

2? ? 變頻斜率閾值的設(shè)置方法

從公式（5—7）中可知，影響測量斜率的因素為測量介質(zhì)的介電常數(shù)以及測量的距離，水盒中的介質(zhì)為水，它的介電常數(shù)受溫度影響，同時，測量距離受安裝偏差的影響。為了避免溫度和安裝偏差帶來的影響，斜率閾值ki0的確定方法如下：

（1）無水狀態(tài)下，在0～60 ℃，考慮最小和最大的水盒安裝偏差，分別測量不同情況下的斜率，并求出這些斜率的最大值ki max。

（2）有水狀態(tài)下，在0～60 ℃，考慮最小和最大的水盒安裝偏差，分別測量不同情況下的斜率，并求出這些斜率的最小值ki min。

（3）則斜率閾值ki0為：ki0=（ki max+ki min）÷2。

其中，i為水位檔數(shù)的編號，i=1，2，…，n。

3? ? 測試與驗證

為了驗證本技術(shù)的有效性及穩(wěn)定性，采用5檔的水位檢測模塊，采用如圖3所示的測試工裝進行驗證。

3.1? 斜率閾值設(shè)置測試

由于不同水盒的材質(zhì)不同，其對應(yīng)的斜率閾值也不同，以5個檔水位檢測為例，5個不同檔位電容對應(yīng)斜率閾值數(shù)據(jù)如表1所示。

從上述設(shè)置數(shù)據(jù)可見，根據(jù)變頻方法，有水與無水狀態(tài)下斜率差別較大，通過不同檔位制定不同的斜率閾值，可有效消除寄生電容、加工誤差和安裝偏差帶來的影響，極大提高了檢測靈敏度。

3.2? 水位判斷實驗

當(dāng)該檔位的實時斜率數(shù)據(jù)大于檔位閾值，則該檔位有水，否則該檔位沒水。結(jié)合5個檔位通道的檔位狀態(tài)，把水盒劃分為0—5檔水位狀態(tài)。為驗證水盒水位測量的有效性及穩(wěn)定性進行以下實驗：

實驗一，在水盒滿水時，監(jiān)測不同水溫以及安裝誤差時的各通道的斜率值。從實驗數(shù)據(jù)可以看出，通道的電容斜率值受水溫和安裝的誤差的影響而產(chǎn)生變化，但水位檔位值并不受其影響而產(chǎn)生變化，如表2所示。

實驗二，在水盒水位實際處于3檔時，通過集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）通信每秒讀取水位檔位值，進行長時間監(jiān)測得到數(shù)據(jù)曲線。采集60 000組數(shù)據(jù)（約16 h），輸出的水位狀態(tài)均穩(wěn)定在3檔?？梢姡粰z測具有很高的準確性以及可靠性。

4? ? 結(jié)語

本文提出一種非接觸式多檔水盒水位檢測技術(shù)。通過詳細的電容水位測量理論推導(dǎo)分析，提出使用變頻斜率比較的水位判斷算法，在蒸汽爐上實現(xiàn)對水盒多檔水位的準確檢測。同時，提出了基于DOE方法的水位閾值設(shè)置方法。實驗結(jié)果表明，使用DOE水位閾值設(shè)置方法，能有效降低安裝誤差以及水溫誤差對水位判斷的影響，大大提高水位判斷的一致性與可靠性，從而提升蒸汽爐水盒水位測量的準確性。

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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. DOEs 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