智能差壓變送器在測(cè)量燃煤鍋爐風(fēng)速中應(yīng)用

摘要:介紹了一種具有可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路(HARD通訊協(xié)議的智能差壓變送器,并對(duì)該變送器的軟硬件組成和在風(fēng)速測(cè)量中的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。該裝置通用性強(qiáng)，，可靠性高,也可用在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行各種參數(shù)的檢測(cè)與變送。
1概述
　　燃煤鍋爐的一次風(fēng)速及二次風(fēng)速大小，對(duì)燃燒效果和結(jié)焦有很大影響尤其對(duì)燃用無(wú)煙煤和低發(fā)熱量煤種,其影響更為顯著。國(guó)內(nèi)較多電站鍋爐出現(xiàn)了飛灰可燃物高,爐內(nèi)局部結(jié)渣,燃燒器燒壞等不正常現(xiàn)象,除了現(xiàn)燃燒器結(jié)構(gòu),煤種有關(guān),還與風(fēng)速過(guò)低或過(guò)高有關(guān)。因此調(diào)整好每個(gè)燃燒器的風(fēng)速，對(duì)煤粉著火,燃燼有利,并能消除爐內(nèi)流速場(chǎng),燃燒物質(zhì)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)異常,緩解和避免爐內(nèi)結(jié)渣,管屏局部過(guò)熱等不安全現(xiàn)象。燃燒器保持適當(dāng)?shù)囊?兩次風(fēng)速是建立良好的爐內(nèi)動(dòng)力工況的基本條件。一次風(fēng)速?zèng)Q定于煤粉的著火條件，兩次風(fēng)速的大小直接影響爐內(nèi)氣流混合擾動(dòng)情況，因而燃燒器出口風(fēng)速的大小直接影響整個(gè)鍋爐的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
　　目前各電廠鍋爐運(yùn)行對(duì)一，二次的風(fēng)速的監(jiān)測(cè)都采用傳統(tǒng)的靜壓表，這是種方式既不合理,又不科學(xué)。因?yàn)殪o壓無(wú)法正確反映一,二次風(fēng)管內(nèi)的流動(dòng)速度和狀況。由于沒(méi)有正確的監(jiān)測(cè)手段和表計(jì)，運(yùn)行人員無(wú)法對(duì)鍋爐進(jìn)行有效的燃燒調(diào)整,鍋爐都處于配風(fēng)不均勻的狀況下動(dòng)運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起著火延遲,燃燒不穩(wěn),從而導(dǎo)致熄火放炮。為了使運(yùn)行人員能在線監(jiān)測(cè)一。二風(fēng)噴口的風(fēng)速,并作均勻調(diào)整，從而提高鍋爐熱效率,避免堵管事故的發(fā)生。設(shè)計(jì)了智能差壓變送器測(cè)量風(fēng)速的大小,測(cè)量示意如下圖1。
 
2風(fēng)速的測(cè)量
　　根據(jù)伯努里定律,可以通過(guò)測(cè)量流體流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的差壓來(lái)測(cè)量流速。且流體的全壓和靜壓之差一動(dòng)壓△P與流速V之間的關(guān)系為V=△P/ρ.
由伯努里方程,經(jīng)過(guò)單位換算,風(fēng)速的測(cè)量采用下列公式:
V=K"4.43△P/ρ
ρ=1.293*(273/273+T)
其中
ρ:密度
V:風(fēng)速
T:熱風(fēng)溫度
K:測(cè)速管標(biāo)定系數(shù)
　　測(cè)速管標(biāo)定系數(shù)K的獲得,是在配定二次表后,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，在做爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)確定的匹配參數(shù)。
△P:一次風(fēng)差壓(測(cè)速元件一般采用靠背管,也可用笛形管及文丘利管)
Th:風(fēng)粉混合溫度
T:熱風(fēng)溫度
Th:煤粉溫度
3硬件組成
　　如圖2所示，智能差壓變送器由傳感器,A/D轉(zhuǎn)換電路,CPU,EEPROM,D/A轉(zhuǎn)換電路以及MODEM組成0。
　　傳感器采用MOTOROLAMPX2010系列的壓力傳感器，以擴(kuò)散硅為半導(dǎo)體的傳感器，因而靈敏度高,體積小。A/D轉(zhuǎn)換電路是AD公司的AD7714,是具有24位分辯力的精度高,寬動(dòng)態(tài)范圍的E.△轉(zhuǎn)換器。它還具有片內(nèi)自校準(zhǔn)功能,一個(gè)增益可編程的放大器(PGA)，一個(gè)可編程數(shù)字濾波器,一個(gè)時(shí)鐘振蕩器,一個(gè)串行接口以及一個(gè)包含指令寄存器，命令寄存器和校準(zhǔn)寄存器的片內(nèi)微控制器,3通道差動(dòng)輸入，可同時(shí)接受3路現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，這里分別接受熱風(fēng)溫度T,差壓信號(hào)OP,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度采集n.現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的采集是通過(guò)半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590來(lái)實(shí)現(xiàn)的.EEPROM是帶復(fù)位，看門(mén)狗的串行EEPROMX25045,存放各種工作參數(shù)。D/A.采用了串行的精度高16位轉(zhuǎn)換器件,MODEM是能實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議通信規(guī)程的芯片HT2012。
　　該系統(tǒng)的工作過(guò)程是將采集到的現(xiàn)場(chǎng)差壓信號(hào)△P,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T1,熱風(fēng)溫度T信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換電路,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入到CPU進(jìn)行處理,經(jīng)T1對(duì)傳感器溫度補(bǔ)償后,算出風(fēng)速大小，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路變?yōu)橄鄬?duì)應(yīng)的4-20MA輸出。同時(shí)CPU輸出數(shù)字信號(hào)給能實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議通信規(guī)程的芯片HT2012.經(jīng)HT2012調(diào)制在4-20MA電流上疊加一個(gè)1200H和2200H頻率的正弦信號(hào),分別代表1和0。其中1200H五信號(hào)表示1,2200Hz信號(hào)表示0由于正弦信號(hào)的直流平均值為零,所以沒(méi)有直流加到4-20MAC]由此,在二線制上可以同時(shí).傳送互不影響的模擬和數(shù)字信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的芯片都采用了三線制方式,因而集成度高,性能穩(wěn)定,且功耗低。
 
　　本系統(tǒng)的最大的特點(diǎn)是采用了實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議的芯片HT2012,因而可以通過(guò)手操器把數(shù)據(jù)參量寫(xiě)到變送器EEPROM中去,數(shù)據(jù)參量主要有量程,工程單位變換,阻尼，線性常數(shù),范圍常數(shù)等。手操器可以接在智能差壓變送器輸出線上的任何位置。用手操器在線測(cè)試回路與自診斷信息時(shí),因手操器采用HART協(xié)議,所以模擬和數(shù)字信號(hào)在同一傳輸線上各行其道,互不干擾。本系統(tǒng)還能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。當(dāng)計(jì)算機(jī)只有一臺(tái)智能差壓變送器時(shí),即點(diǎn)一點(diǎn)方式，此時(shí)可繼續(xù)使用4-20MA信號(hào)進(jìn)行模擬傳輸,而測(cè)量，調(diào)整和測(cè)試數(shù)據(jù)用數(shù)字方式傳輸，模擬信號(hào)不受影響，仍可按正常方式用于控制目的。當(dāng)從機(jī)為多臺(tái)智能差壓變送器時(shí)，即多站方式,此時(shí)4-20MA信號(hào)作廢,每一臺(tái)變送器的工作電流均為4MA。由于每一臺(tái)智能差壓變送器都有唯一編號(hào)，所以計(jì)算機(jī)根據(jù)從機(jī)各自的編號(hào)分別對(duì)每一臺(tái)智能差壓變送器進(jìn)行操作,將從機(jī)輸出信號(hào)的數(shù)字量傳送到計(jì)算機(jī)中，即此時(shí)所有的測(cè)量,調(diào)整和測(cè)試數(shù)均據(jù)用數(shù)字方式傳輸。
4軟件編程
　　如圖3是智能差壓變送器的主程序流程圖,其中用定時(shí)器中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗技術(shù)在采樣和計(jì)算風(fēng)速前，通過(guò)CPU用編程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D器件的傳輸方式,通道選擇,增益大小,濾波常數(shù)等設(shè)置,然后再完成數(shù)據(jù)的采集,計(jì)算和輸出。傳感器的溫度補(bǔ)償是采用了多段折線逼近法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
 
5結(jié)語(yǔ)
　　由于該裝置運(yùn)用了三線串行總線方式,使線路大為簡(jiǎn)化,性能高,體積小。采用HART協(xié)議的MODEM芯片HT2012,使系統(tǒng)成為現(xiàn)場(chǎng)智能變送器,能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊,因而在電力,化工行業(yè)具有廣泛的用途。