水位測量裝置設計與製作課程設計

① 如何進行水位測量

常用的有水尺和水位計。水尺是傳統的有效的直接觀測設備。實測時，水尺上的讀數加水尺零點高程即得水位。水位計是利用浮子、壓力和聲波等能提供水面漲落變化信息的原理製成的儀器。水位計能直接繪出水位變化過程線。水位計記錄的水位過程線要利用同時觀測的其他項目的記錄，加以檢核。

水尺、水位計設置在河道順直、斷面比較規則、水流穩定、無分流斜流和無亂石阻礙的地點；一般避開有礙觀測工作的碼頭、船塢和有大量工業廢水和城市污水排入的地點，使測得的水位和同時觀測的其他項目的資料具有代表性和准確性；為使水位與流量關系穩定，一般避開變動回水的影響和上下游築壩、引水等的影響。

監控中心： 主要硬體：伺服器、客戶端、移動數據專線或GPRS數據傳輸模塊DATA-6123。 主要軟體：操作系統軟體、資料庫軟體、水位監測系統軟體、防火牆軟體。

通信網路：INTERNET公網 + 中國移動公司GPRS網路。

終端設備：微功耗測控終端DATA-6216，市電供電、太陽能供電、電池供電可選。

測量設備：水位計或水位變送器。

(1)水位測量裝置設計與製作課程設計擴展閱讀：

觀測時間和測次

水位觀測的時間和次數的安排，要滿足測得的資料能反映出一日內水位的變化過程，要滿足水文情報預報的需要。平水時每日觀測1～2次。有洪水、結冰、流凌（流冰）、冰凌堆積、冰壩和冰雪融水補給河流等現象時，增加觀測次數，以取得水位變化過程的完整資料。

水位資料與人類生活和生產建設關系密切。水利工程的規劃、設計、施工和管理運用，都需水位資料；其他工程建設如航道、橋梁、船塢、港口、給水、排水等也要應用水位資料。

在防汛抗旱中，水位是水文情報和水文預報的依據。水位資料是建立水位流量關系推算流量變化過程、水面比降等必需的根據。在泥沙測驗和水溫、冰情、水質等觀測中，水位是掌握水流變化的重要標志。

② 模電課程設計 水溫測量儀

第二章 水溫測量儀的設計

2.1總體結構框圖設計
製作水溫測量儀，首先利用溫度感測器獲取被測量對象的溫度，將溫度轉換為電壓表示。然而上述表示的為絕對溫度與電壓的轉換關系，因此還需將絕對溫度與電壓的關系轉換為攝氏度與電壓的關系，這樣就完成電壓與攝氏度之間的直接轉換關系。之後將電壓放大，即可直接用電壓表讀出被測對象的溫度值。此外將放大後的電壓接至一電壓比較器，比較器輸出端接報警設備，如指示燈。在設置比較電壓（即比較溫度）後，由比較器輸出端的電壓決定指示燈的狀態，進而起到報警的作用。基本原理如圖 2.1.1所示：

圖 2.1.1基本原理圖

2.2溫度檢測電路設計
圖2.2.1 集成溫度感測器AD590

2.2．1 AD590簡介:
AD590是AD公司利用PN結正向電流與溫度的關系製成的電流輸出型兩端溫度感測器，如圖 2.2.1所示。這種器件在被測溫度一定時，相當於一個恆流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，並具有消除電源波動的 特性。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化。其主要參數如表2.2.1所示：
工作電壓 4～30V 反向電壓 －20V
工作溫度 －55～＋150℃ 焊接溫度（10秒） 300℃
保存溫度 －65～＋175℃ 靈敏度 1μA／K
正向電壓 ＋44V

表 2.2.1 AD590參數表

2.2.2 AD590的應用
AD590輸出阻抗達10MΩ，轉換當量為1μA/K。溫度—電壓轉換電路如圖 2.2.2所示：

圖 2.2.2 溫度—電壓轉換電路

溫度—電壓轉換分析：如圖 2.2.2所示，當將AD590置於水中時，根據水溫多少將提供恆流，方向如圖所示。由於在Uo輸出端接一電壓跟隨器從而增大輸入阻抗，電流幾乎全部流經電阻R。
由AD590轉換當量可知：
U01= UR=1μA/K×R=R×10-6/K (2 .2. 1)
在實際應用中可取R=10KΩ，則:
U01=10mV/K (2.2.2)
這樣可以實現溫度—電壓的轉換，取的所需電壓。

2．3 K—℃變換
2.3．1 K—℃變換減法電路
實現溫度—電壓轉換後，不能直接測量，仍需將絕對溫度轉換為攝氏度，即實現K—℃變換。絕對溫度（T）與攝氏度（t）之間的關系為：
T=t+273k （2.3.1）
由式 （2.2.2）與式 2.3.1可知要實現K—℃變換，必有：
Uo2=10mV/℃―2.73V (2.3.2)
該變換可用一個求和式加法器實現，如圖1.3.1所示：

圖 2.3.1 求和式加法器
求和式加法器分析：在理想運放的情況下，利用虛短與虛斷。有如下關系：

-UR/R2+U01/R1=U02/Rf1 (2.3.2)

設R2=R1=Rf1（2.3.3）

解式（2.3.2與式（2.3.3 ）得：
(1.3.5)
U02= （U01-UR） (2.3.4)

2.3.2 電壓的放大

放大器
設計一個反相比例放大器，使其輸出u03滿足100mV/℃。用數字電壓表可實現溫度顯示。

圖2.3.2

放大器的關系式：

U03/R4=U02/R3 ；
由R4/R3=10得

U03=10U02

2.4 比較器
2.4.1 電壓比較器原理：
由電壓比較器組成，如圖3所示。UREF為報警時溫度設定電壓，Rf2用於改善比較器的遲滯特性，決定了系統的精度。

由上式可知溫度與電壓之間的關系：
U=0.1V/ ℃
將放大後的電壓接直流電壓表，即可直接讀的溫度值,如:將AD590放入20℃的水中，可讀得電壓表的值為2V。
圖2.4.1(a)所示為一最簡單的電壓比較器，UR為參考電壓，加在運放的同相的輸入端，輸入電壓ui加在反相的輸入端。

(a) （b）
圖 2.4.1 電壓比較器原理原理圖
圖2.4.1 (b)所示為其傳輸特性。當Ui＜UR時，運放輸出高電平，穩壓管Dz反向穩壓工作。輸出端電位被其箝位在穩壓管的穩定電壓UZ，即Uo＝UZ。當ui＞UR時，運放輸出低電平，DZ正向導通，輸出電壓等於穩壓管的正向壓降UD，即 Uo＝－UD。因此，以UR為界，當輸入電壓ui變化時，輸出端反映出兩種狀態，高電位和低電位。
2.4.2 運算放大器比較器
以上介紹的是最簡單的電壓比較器原理。比較器是由運算放大器發展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應用電路。圖2.4.2 由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓Va經分壓器R2、R3分壓後接在同相端，Vb通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調電壓，則其輸出電壓Vout與Va、Vb及4個電阻的關系式為：
Vout=(1+RFR1 )( R3R2+R3 )Va- RFR1 Vb (2.4.1)
若R1=R2，R3=RF，則:
Vout= RFR1 (Va-Vb)， (2.4.2)
RF/R1為放大器的增益。當R1=R2=0(相當於R1、R2短 路)，R3=RF=∞(相當於R3、RF開路)時，Vout=∞。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖 2.4.3 的樣子，差分放大器處於開環狀態，它就是比較器電路。實際上，運放處於開環狀態時，其增益並非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小於正負電源電壓，也不可能是無窮大。
因此為了實現報警功能，可在輸出電壓端接一個電壓比較器，利用電壓的大小關系起到報警作用。

2.4.3圖

2.4.3 比較器實例

在本實例中採用圖2.4.4比較器。其中電阻參數取：R3=R4=10KΩ，Rf2=1000KΩ，在圖 2.4.4所示VCC3為報警時的溫度設定電壓。R3，R4用於穩定輸入電壓，決定了系統的精度。而 Rf2用於報警設備的輸入電阻，用於控制輸入電流的大小。

圖2.4.4 水溫測試儀電壓比較器電路

2.5報警設備
LED發光二極體：
報警設備可用一個發光二極體來充當，發光二極體LED，它是英文light emitting diode（發光二極體）的縮寫。發光二極體發熱量小，耗電少。
發光二極體有很多優勢：
1. 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用於公共場所。
2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%
3. 適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，並且適合於易變的環境
4. 穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%
5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級
6. 對環境污染：無有害金屬汞
報警分析：
當加與U2端的電壓大於設定溫度Uref時，U3有了正向輸出，二極體LED導通，發光，報警完成。

水溫測量儀運作過程總析
將上述器件加以組合得到圖2.6.1所示：
水溫測量過程及報警分析：將AD590放入水中，將會產生相應大小的電流，電流經過Ro，在Ro兩端產生電壓，進而由一個運放組成的電壓跟隨器輸出。然而經過絕對溫度與電壓的轉換後還需要變換為攝氏度與電壓的關系。於是在電壓跟隨器後接一個求和加法器以達目的，即加上一個-2.73V的電壓。可以利用穩壓管和運放電路來提供所需要的-2.73V電壓。
之後可將電壓跟隨器的輸出電壓與上式所求得的電壓接至求和加法器的兩端。在加法器（放大器）作用之後，我們獲得電壓與溫度的直接關系。在U03端接一電壓表，即可讀的溫度值。比如水的溫度為12℃，則電壓表的示數為1.2V。
完成了電壓的讀取，還需進行電壓比較以達到報警的目的。在1.5節中已經討論了比較器的原理。設計所要求的報警溫度為50℃，即比較電壓為5V。所以應該在比較器比較端VCC3接5V的恆壓源。
當輸出電壓U03<5V時，U04<0。此時二極體截止。當輸出電壓>5V時，U04>0。此時二極體導通, LED發光。報警過程完成。在實際應用中，我們取VCC1=12V。

第三章 水溫測量儀的模擬與製作

3.1 模擬軟體簡介
EWB是一種電子電路計算機模擬軟體，它被稱為電子設計工作平台或虛擬電子實驗室，英文全稱為Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司於1988年開發的，自發布以來，已經有35個國家、10種語言的人在使用。EWB以SPICE3F5為軟體核心，增強了其在數字及模擬混合信號方面的模擬功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以來，已經成為模擬集成電路設計的標准軟體。EWB建立在SPICE基礎上，它具有以下突出的特點：
（1）採用直觀的圖形界面創建電路：在計算機屏幕上模模擬實實驗室的工作台，繪制電路圖需要的元器件、電路模擬需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取；
（2）軟體儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。
（3）EWB軟體帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。
（4）作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟體交換數據。
（5）EWB還是一個優秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，模擬電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。

3.2 模擬電路的建立
我們用EWB建立電路模型，由於沒有AD590，我們可以利用一個恆流源代替AD590提供電流，比擬溫度的采樣。被減電壓2.73V我用了一個2.73V的電池來代替。電路模型如圖3.1.1，圖3.1.2所示：

3.3模擬效果分析
設置好電路以後，我們開始模擬。由於我們用了一個恆流源代替了AD590，即用電流源比作電壓的獲得。
1，取電流源電流值為200uA，即絕對溫度200K，轉換為攝氏度為-73℃。電壓表讀值為-7.3。可見與理論值相同，此時溫度比50度小。比較器輸出為負值。二極體不導通。圖中二極體未發光（雙箭頭所示）。
2，取電流源電流值為333uA，即絕對溫度333K，轉換為攝氏度為60℃.電壓表為6V。與理論相同，由於溫度比50度大，電壓U2>VCC3.比較器輸出正值，由於理想運放的緣故。圖中電壓表讀出值為19.8V是一個不確定正值。二極體在U3的作用下導通，發光（雙箭頭）.
由此可見理論值與實際值符合得很好。溫度能夠測得。

③ 單片機液位計課程設計怎麼做

1.藉助機械式弄浮利用杠桿原理端接滑變阻器測量電阻或者電壓值知道前液位高度
2.利用超聲測距買超聲波傳器測量液體表面傳器間距離測量利用單片機測量超聲發間接收反射波間間差利用間乘聲波速率除二實際液面高度

④ 題目32 簡易水位測量儀設計 利用幾個電阻設計製作一個簡易水位自動測量儀，用單片機控制LED顯示水位的高度

可以用電阻橋的方式進行測量
並將電阻橋的輸出接入單片機的AD輸入
通過測量不同水位的水阻抗，來判斷水的水平面
用電阻橋有個好處是，精度高，測量穩定，當然價格便宜

⑤ 水位監測裝置有哪些

水位感測器是指能將被測點水位參量實時地轉變為相應電量信號的儀器。其工作原理是：容器內的水位感測器，將感受到的水位信號傳送到控制器，控制器內的計算機將實測的水位信號與設定信號進行比較，得出偏差，然後根據偏差的性質，向給水電動閥發出"開"和"關"的指令，保證容器達到設定水位。進水程序完成後，溫控部份的計算機向供給熱媒的電動閥發出"開"的指令，於是系統開始對容器內的水進行加熱。到設定溫度時。控制器才發出關閥的命令、切斷熱源，系統進入保溫狀態。程序編制過程中，確保系統在沒有達到安全水位的情況下，控制熱源的電動調節閥不開閥，從而避免了熱量的損失與事故的發生。

中文名
水位感測器
外文名
Water level sensor
性質
科學
類別
物理
材質
不銹鋼
快速
導航
應用

原理

耐高溫問題
簡介
感測器就是一種能夠感受水溫水位，並且將感受到的水溫水位轉變成變化的電信號的儀器。在太陽能熱水器的發展史上，水溫水位感測器一直起著舉足輕重的作用，熱水器的智能化、人性化都與水溫水位感測器密不可分，水溫水位測控儀更是離不開水溫水位感測器，水溫水位感測器工作穩定是對整個熱水器智能控制的保障。水溫水位感測器的從無到有，從簡單到復雜，使用壽命的由短到長，都與太陽能專業人士的努力是分不開的[1] 。
應用
廣泛用於水廠、煉油廠、化工廠、玻璃廠、污水處理廠、高樓供水系統、水庫、河道、海洋等對供水池、配水池、水處理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及對各種液體靜態、動態液位的測量和控制。
舉例說明投入式水位感測器在水位監測系統中的應用：

水位監測系統拓撲圖

投入式水位感測器DATA-51系列
原理
容器內的水位感測器，將感受到的水位信號傳送到控制器，控制器內的計算機將實測的水位信號與設定信號進行比較，得出偏差，然後根據偏差的性質，向給水電動閥發出"開"和"關"的指令，保證容器達到設定水位。進水程序完成後，溫控部份的計算機向供給熱媒的電動閥發出"開"的指令，於是系統開始對容器內的水進行加熱。到設定溫度時。控制器才發出關閥的命令、切斷熱源，系統進入保溫狀態。程序編制過程中，確保系統在沒有達到安全水位的情況下，控制熱源的電動調節閥不開閥，從而避免了熱量的損失與事故的發生[2] 。
耐高溫問題
感測器要長期工作在熱水器水箱之中，因為真空管的得熱量大，傳給熱水器水箱很多熱量，使水箱溫度能長時間達到100度左右，短時間能達到130度，甚至150度，這就對感測器帶來了耐高溫問題，從太陽能界用的第一個水溫水位感測器一直到近期，感測器的材料在耐高溫方面一直存在缺陷，在長期的空曬過程中、在長期的水煮過程中、在長期的汽蒸過程中，不管是電子器件還是其他的感測器材料都很容易老化、損壞。 
突破這一難題，必須使進入水箱的感測器部分能夠耐高溫，在科學快速發展的背景下，我國已經研製除了一種能夠絕緣的、耐高溫的抗高溫聚丙烯材料，它能夠在150度的環境中正常使用，短時間能耐170度高溫，導電的電極部分使用優質不銹鋼材料SUS316L，既能滿足耐高溫，又能滿足耐腐蝕的要求；而不耐高溫的電路部分，可以選取遠離高溫水箱的結構[3] 。
參考資料
[1] 馮保清, 姜海波, 沈言琍,等. 水位感測器在灌區的比選與應用[J]. 中國農村水利水電, 2005(7):104-105.
[2] 馬福昌, 元江博, 馬珺. 感應式數字水位感測器智能變送器設計[J]. 電子設計工程, 2011, 19(7):128-130.
[3] 安全, 范瑞琪. 常用水位感測器的比較和選擇[J]. 水利信息化, 2014(3):52-54.

⑥ 水箱液位檢測裝置顯示HH

顯示「-HH-",表示現場抄的液位信百號超出了儀表內部設定的最大量程度。就是超量程了。用萬用表的測量一知下液位感測器的電流就知道了。

⑦ 單片機課程設計：基於51單片機的水位監測系統，匯編語言代碼

水溫可以用如18b20金屬探頭型的來檢測。
至於水位的，有很多種方案，如光電對管的，壓力感測器的，電容的……
很多啦，這個沒什麼難度。

⑧ 水塔水位測量用什麼感測器最好

有一種投入式感測器;
1:它可以直接放入水中，沉到底；它的電纜是導氣電纜，不用任何其它附件。
2：按水位高低，選擇感測器的量程；水大約是11米壓力1kg.
3:它的接線和普通感測器相同。
希望能對你有點幫助。

補充一點吧：
這個方法做課程設計實際是很好了，是研究生設計嗎？如果是研究生的設計，就有些太簡單了。
這種感測器在國內使用的還不是太多，原因是國內的水塔一般只用兩個浮球開關。投入式感測器又精確，安放簡單。價格又低。使用壽命長。如果做的完善可能可以成為產品的。

⑨ 求教：如何進行鍋爐水位保護實驗！

1 引言

火力發電廠機組可靠的系統保護是機組安全運行的必要保證。鍋爐汽包滿水和缺水事故是火力發電廠的重大惡性事故之一。滿水將使鍋爐蒸汽嚴重帶水，使蒸汽溫度急劇下降，蒸汽管道發生水沖擊，甚至損害汽輪機機組。鍋爐汽包缺水事故將不能維持鍋爐的正常水循環，使蒸汽溫度急劇上升，水冷壁過熱，輕者造成機組被迫停運，嚴重時可造成鍋爐設備的嚴重損壞。鍋爐汽包水位保護系統是防止鍋爐滿水和缺水的必要和有效的措施，是鍋爐啟動及正常運行的必要條件。但目前鍋爐水位保護系統存在較大的問題，最主要原因是鍋爐汽包水位的測量不準確和保護的可靠性不夠。

2 問題分析

目前現有機組的鍋爐水位保護基本沒有完全可靠投入，大多數投入的只是簡單的事故放水，即使投入了停機、停爐保護也不夠科學、不可靠。因此水位保護的不正常投入，嚴重威脅機組的安全運行。

2.1 水位測量存在的問題

現有鍋爐汽包水位保護的水位測量大多都採用「電接點」的方式，此方式的水位測量原理與鍋爐的水面計的測量原理是相同的，即「連通器」的原理，如圖1所示。

圖1 連通器原理圖

根據「連通器」的原理，汽包內的壓強與測量筒內的壓強是相等的，但由於汽包內的溫度(330℃)大於測量筒內的溫度(250℃)，所以汽包內的飽和水的比重小於測量筒內的過冷水的比重，因此，測量筒(包括水面計)的水位指示值h1將小於實際汽包內的水位h隨著測量筒(包括水面計)溫度的升高，指示值h1將逼近汽包內的實際水位h，只有到測量筒(包括水面計)的溫度與汽包內的溫度相等時，指示值h1才等於實際水位h。但實際兩者的溫度是不能相等的，所以指示值h1與實際水位h總會存在偏差，而且此偏差隨測量筒及以下管段溫度的變化而變化。

2.2 單室熱套式平衡容器存在的問題

為了讓單室熱套式平衡容器正壓側ρa和汽包中水的比重相接近，前人設計了單室熱套式平衡容器。

通過計算得出：

l=(l- ho)×(ρs-ρse )/(ρw -ρwe)+ho=(l- ho)α+ho …… (1)

式中：

l——l管段叫補償管

ρs——蒸汽密度

ρse——額定壓力下的蒸汽密度

ρw——水密度

ρwe——額定壓力下的水密度

α=(ρs-ρse )/(ρw -ρwe)

這里要指出，使輸出壓差不變，只有在壓力補償范圍之內近似不變。這種平衡容器，通過應用的結論是：

(1) 只有在零水位時，對壓力變化引起的誤差才能較好的消除，但不能完全消除。誤差在±20mm水柱和±30mm水柱之間。

(2) 壓力補償范圍做不到全程補償。

(3) 環境溫度的變化使ρa的變化所造成的誤差無法消除。

2.3 水位保護系統存在的問題

既然鍋爐水位測量不準，那就更談不上什麼保護了。另外，電接點測量筒電極的漏泄和電極與測量筒接合面的漏泄在機組運行的過程中是經常發生的，一旦發生漏泄將直接造成保護的誤動。電極的腐蝕和測量筒內水質的變化也會造成保護的誤動或者拒動。

在傳統的鍋爐汽包水位保護迴路里，採用水位「高三值」和「高二值」「與」的方式實現保護功能，或與其它指示表串聯，這些都違反了現行的規程。

3 問題對策

按照國家電力公司有關的文件精神及《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》部分的有關要求，根據電力系統各電廠機組的實際情況，經過對鍋爐汽包水位測量和保護系統實現方法的研究，確立了以下技術方案。

3.1 鍋爐汽包水位的測量

根據《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中的相關規定和國電發[2001]795號文件精神，「關於印發《國家電力公司電站鍋爐汽包水位測量系統配置、安裝和使用的若干規定(試行)》的通知」文件要求，系統採用了單室平衡容器測量的方式，為了不受外界條件的影響，進行了壓力和溫度補償，使該系統具有良好的水位測量准確性。

差壓式水位表是利用比較水柱高度差值的原理來測量汽包水位的。測量時，使用差壓計將汽包水位對應的水柱所產生的壓強與作為參比的水柱所產生的壓強進行比較，根據測得的差壓值轉換為汽包的水位。參比水柱由平衡容器中高度恆定的水柱形成，比較的基準點是水位表水側取樣孔的中心線，由於參比水柱的高度是保持不變的，測得的壓差就可以直接轉換為汽包水位。參比水柱的高度就是平衡容器內的水平面到水位表水側取樣孔的中心線，在平衡容器安裝完成後，參比水柱的高度就是一個定值h，而用來測量差壓的差壓變送器的最大量程就應該等於參比水柱高度所對應的壓強，見圖2所示。

圖2 差壓式水位測量示意圖

平衡容器也稱凝結容器，容器側面水平引出一個管口接到汽包上的汽側取樣孔，容器底部垂直引出一個管口接到差壓變送器的正壓側。進入平衡容器的飽和蒸汽不斷凝結成水，多餘的凝結水自取樣管流回汽包使容器內的水位保持恆定。為了避免汽包水位變化時，平衡容器內水位變化影響測量水位的准確性，容器內的水面積原則上越大越好。由於現代化差壓變送器測量元件的位移很小，不會引起容器內水位的明顯變化，因此一般情況下平衡容器內的容積為300-800ml以內就能完全保證汽包水位測量的准確性。

由圖2，差壓式水位表差壓和汽包水位之間的關系如下式所示：

△p×l03=h*ρa-(a-h)*ρs-[h-(a-h)]*ρw

=h(ρa-ρw)+(a-h)(ρw-ρs)…… (2)

式中：

h——汽水側取樣孔的距離，mm

a——汽側取樣孔與汽包正常水位的距離,mm

h——由於汽包壓力和環境溫度變化而產生的汽包水位的真實值與汽包中心線之間的差值，mm

△p——對應汽包水位的差壓值，mm水柱

ρs——飽和蒸汽的密度，kg/m3

ρw——飽和水的密度，kg/m3

ρa——參比水柱在平均水溫時的密度，kg/m3

上式中，h和a都是常數；ρs和ρw是汽壓的函數，在特定汽壓下均為定值；ρa除了受汽壓的影響外，還和平衡容器的散熱條件與環境溫度有關，當汽壓和環境溫度不變時，其值也為定值。這時，差壓值是汽包水位的函數。

圖3 水位修正迴路

飽和蒸汽進入平衡容器後不斷凝結成水，多餘的水通過取樣管流回到汽包內。容器內表層的水溫必然接近飽和溫度，平衡容器及其下部管道由於受到環境的冷卻，因此隨著高度的下降，參比水柱的溫度會遞減地下降到接近環境溫度。參比水柱的平均溫度會高於環境溫度，但遠低於飽和溫度。本方案用較先進的方法測量參比水柱的平均溫度，同時根據壓力、溫度的變化對正壓側進行補償計算，對汽包水位的測量進行自動修正。

由於汽水密度都是隨壓力改變的，因此在鍋爐啟動過程中或變壓運行過程中，同一汽包水位所產生的壓差是不同的。這里利用正常水位線、汽包幾何中心線以及汽水側的取樣點位置等計算出壓差值。然後利用壓力修正，具體修正原理如下：

根據(2)式，得：

a-h=△p×103-h(ρa-ρw)/(ρw-ρs)

=[△p-h(ρa-ρw)/ 103]×103/(ρw-ρs)…… (3)

令fl(x)=(ρa-ρw)/103 …… (4)

f2(x)=103/(ρw-ρs)…… (5)

代入(3)式，得：

a-h=[△p-h·fl(x)] ×f2(x)

h=a-[△p-h·f1(x)]×f2(x)…… (6)

根據式(3)，可以採用圖3的修正迴路，修正汽包水位測量時受汽壓影響造成的誤差。

修正迴路中兩個函數發生器f1(x)和f2(x)的參數，可以根據水和水蒸汽性質參數手冊進行計算。由於正壓側採用單室平衡容器測量，同時進行壓力、溫度補償，在啟、停爐各種工況下均能滿足測量的要求，從而最大、最有效的提高了水位測量的准確性。

3.2 水位測量及保護功能的實現

隨著計算機技術的不斷發展，硬體設備的可靠性不斷提高，應用高可靠性、具有較強計算能力的控制系統，使鍋爐汽包水位測量及保護功能實現成為可能。因此，借鑒其他電廠應用的成功經驗，採用可編程式控制制器(plc)，取三路鍋爐汽包水位信號，分別進行溫度和壓力補償，並經過「三取中」、「二取平均」和「一取一」等方式來實現此功能是可行的。

plc具有較強的計算能力和邏輯控制能力，有「浮點運算」功能，完全可以完成鍋爐汽包水位測量的補償計算，經編程可得到補償後的水位；通過嚴密的邏輯設計，可靠完成鍋爐汽包水位保護。

4 系統選型

系統以simatic s7-300 plc硬體為基礎，實現鍋爐汽包水位保護功能。系統採用信號處理數字化，控制邏輯數字化的全數字化結構，具有高速處理能力及保護系統的可靠性。可有效地解決鍋爐汽包水位保護的誤動及拒動問題。該系統具備在線檢測、設備硬體故障檢測等功能。

硬體系統的優越性：simatic s7-300克服了系統間的許多障礙：計算機領域和dcs/plc之間的障礙，控制和監視之間的障礙，集中式和分布式自動化結構之間的障礙。該系統的應用，將會得到一個真正靈活、集成化系統所擁有的全部優點。

高程度的模塊化和可擴展性，使系統達到最優，以適應所有的工藝流程，如有需要，今後還可以擴充。標准simatic元件使用保證了系統的長期可靠性。標准技術的應用和系統的開放性使之可與任意數量的第三方系統任意連接。

系統採用一台simatic操作員面板作為plc的上位機，控制和監視鍋爐汽包水位保護系統。系統可與dcs系統通訊，或經過硬接線將需要傳遞的信號如：安全門動作接點、補償後的水位信號、保護的投入信號等送到plc或dcs。具體方案見圖4所示。

圖4 鍋爐汽包水位保護系統示意圖

4.1 水位保護系統的功能

simatic操作員面板做為人機界面可以實現對各個輸入信號和保護信號狀況的監視和報警，主機和模板的故障監測報警。同時該系統對汽包水位從啟爐到額定負荷的全過程進行溫度、壓力補償，從而得到准確的汽包水位指示值，並對鍋爐汽包水位進行全程保護。具體功能如下：

(1) 鍋爐汽包水位高、低保護採用了獨立的「三取中值」的邏輯判斷方式，當有一點因某種原因須退出運行時，該系統能夠自動轉為「二取平均值」的邏輯判斷方式，當某兩點因某種原因退出運行時，該系統能夠自動轉為「一取一」的邏輯方式運行，當三路信號都發生故障時，水位置「零」，保護禁動。以上狀態均在「水位補償畫面」進行顯示。

(2) 當某一路的水位、溫度、壓力信號發生故障時，都進行報警，並切除此路信號。

(3) 顯示安全門、事故放水門的動作指令，水位高低值的報警信號。

(4) 對安全門動作判斷，安全門動作信號可用安全門動作迴路的接點給出，也可採用汽包壓力信號的微分給出。安全門動作後採用動作恢復的時間來投入保護。

(5) 常規保護功能。

4.2 工程的注意事項

(1) 水位變送器的選擇。必須是高精度的智能變送器，其量程h應大於汽側取樣點與水側取樣點之間的距離加上二倍的取樣管長的1/100。

(2) 綜合平衡各類水位儀表的配置，利用現有的取樣點位置進行冷凝罐安裝。盡量保證每個水位測量裝置都具有獨立的取樣孔。進行變送器的安裝。必要時可取消保護用電接點水位表。

(3) 水位測量裝置安裝時，應保證汽包「零」水位線與參比水柱的1/2處在同一水平線上，並保證三個參比水柱的1/2處也在同一水平線上(採用水準儀精確確定各水位測量裝置的安裝位置，不應以鍋爐平台等物作為參比標准)，如圖5所示。

圖5 平衡容器現場安裝示意圖

(4) 安裝水位測量裝置取樣閥門時，應使閥門閥桿處於水平位置。

(5) 差壓式水位測量裝置的平衡容器為單室平衡容器，即直徑約為100mm的球體或球頭圓柱體(容積為300-800ml)，到現場後單室平衡容器必須進行金屬試驗和探傷。

(6) 安裝汽水側取樣管時，應保證管道的傾斜度不小於100∶1，對於汽側取樣管應使取樣孔側低，對於水側取樣管應使取樣孔側高。

(7) 汽水側取樣管、取樣閥門應良好保溫，平衡容器不得保溫。容器下部形成參比水柱的管道在繞完測溫電阻後進行保溫。引進差壓變送器的兩根管道應平行敷設。

4.3 如何判斷保護指示的准確性

在前文中已經說明了就地水位計與實際水位之間存在的誤差，那麼誤差究竟有多大，我們可結合圖1通過以下計算得出：

鍋爐在正常工況下，汽包壓力為15mpa，水位計溫度為260℃，指示為0時h1為209mm，查得ρw=0.0016579m3/kg ，ρa =0.0012553 m3/kg，h×ρw= h1×ρa，h=392.63mm

實際水位與水位計的差值應為 h-h1=102.63mm。

通過公式h×ρw=h1×ρa就可以計算出不同壓力下，h1為290mm，水位計不同溫度時與汽包實際水位的差值。如附表所示。

通過計算可以知道就地水位計與實際水位的差值，再與保護指示值相比較，就可以判斷出保護儀表的准確性。

5 結束語

實踐證明，應用基於plc的這套系統能夠比較准確的測量汽包水位(誤差在±20mm)，並具有系統保護功能，改善了現有汽包水位難控制的等問題，完全符合工程要求，有效地提高了控制和管理水平。

⑩ 自動化專業課程設計

我們學校的是車輛工程屬於機自專業，車輛的專業課：汽車構造，汽車設計，內燃機學，汽車電子技術，汽車檢測與維修等等機自專業又分車輛、起重、機電、鏟運等