智能差壓變送器在測量燃煤鍋爐風(fēng)速中應用

摘要:介紹了一種具有可尋址遠程傳感器高速公路(HARD通訊協(xié)議的智能差壓變送器,并對該變送器的軟硬件組成和在風(fēng)速測量中的應用作簡(jiǎn)要介紹。該裝置通用性強，，可靠性高,也可用在工業(yè)測控系統進(jìn)行各種參數的檢測與變送。
1概述
　　燃煤鍋爐的一次風(fēng)速及二次風(fēng)速大小，對燃燒效果和結焦有很大影響尤其對燃用無(wú)煙煤和低發(fā)熱量煤種,其影響更為顯著(zhù)。國內較多電站鍋爐出現了飛灰可燃物高,爐內局部結渣,燃燒器燒壞等不正?，F象,除了現燃燒器結構,煤種有關(guān),還與風(fēng)速過(guò)低或過(guò)高有關(guān)。因此調整好每個(gè)燃燒器的風(fēng)速，對煤粉著(zhù)火,燃燼有利,并能消除爐內流速場(chǎng),燃燒物質(zhì)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)異常,緩解和避免爐內結渣,管屏局部過(guò)熱等不安全現象。燃燒器保持適當的一,兩次風(fēng)速是建立良好的爐內動(dòng)力工況的基本條件。一次風(fēng)速決定于煤粉的著(zhù)火條件，兩次風(fēng)速的大小直接影響爐內氣流混合擾動(dòng)情況，因而燃燒器出口風(fēng)速的大小直接影響整個(gè)鍋爐的穩定性和經(jīng)濟性。
　　目前各電廠(chǎng)鍋爐運行對一，二次的風(fēng)速的監測都采用傳統的靜壓表，這是種方式既不合理,又不科學(xué)。因為靜壓無(wú)法正確反映一,二次風(fēng)管內的流動(dòng)速度和狀況。由于沒(méi)有正確的監測手段和表計，運行人員無(wú)法對鍋爐進(jìn)行有效的燃燒調整,鍋爐都處于配風(fēng)不均勻的狀況下動(dòng)運行，嚴重時(shí)會(huì )引起著(zhù)火延遲,燃燒不穩,從而導致熄火放炮。為了使運行人員能在線(xiàn)監測一。二風(fēng)噴口的風(fēng)速,并作均勻調整，從而提高鍋爐熱效率,避免堵管事故的發(fā)生。設計了智能差壓變送器測量風(fēng)速的大小,測量示意如下圖1。
 
2風(fēng)速的測量
　　根據伯努里定律,可以通過(guò)測量流體流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的差壓來(lái)測量流速。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:測速管標定系數
　　測速管標定系數K的獲得,是在配定二次表后,根據現場(chǎng)運行的實(shí)際情況，在做爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗時(shí)確定的匹配參數。
△P:一次風(fēng)差壓(測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轉換電路,CPU,EEPROM,D/A轉換電路以及MODEM組成0。
　　傳感器采用MOTOROLAMPX2010系列的壓力傳感器，以擴散硅為半導體的傳感器，因而靈敏度高,體積小。A/D轉換電路是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.△轉換器。它還具有片內自校準功能,一個(gè)增益可編程的放大器(PGA)，一個(gè)可編程數字濾波器,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，命令寄存器和校準寄存器的片內微控制器,3通道差動(dòng)輸入，可同時(shí)接受3路現場(chǎng)信號，這里分別接受熱風(fēng)溫度T,差壓信號OP,現場(chǎng)環(huán)境溫度采集n.現場(chǎng)環(huán)境溫度的采集是通過(guò)半導體集成溫度傳感器AD590來(lái)實(shí)現的.EEPROM是帶復位，看門(mén)狗的串行EEPROMX25045,存放各種工作參數。D/A.采用了串行的精度高16位轉換器件,MODEM是能實(shí)現HART協(xié)議通信規程的芯片HT2012。
　　該系統的工作過(guò)程是將采集到的現場(chǎng)差壓信號△P,現場(chǎng)環(huán)境溫度T1,熱風(fēng)溫度T信號送入A/D轉換電路,經(jīng)A/D轉換后變?yōu)閿底中盘?，送入到CPU進(jìn)行處理,經(jīng)T1對傳感器溫度補償后,算出風(fēng)速大小，經(jīng)D/A轉換電路變?yōu)橄鄬?-20MA輸出。同時(shí)CPU輸出數字信號給能實(shí)現HART協(xié)議通信規程的芯片HT2012.經(jīng)HT2012調制在4-20MA電流上疊加一個(gè)1200H和2200H頻率的正弦信號,分別代表1和0。其中1200H五信號表示1,2200Hz信號表示0由于正弦信號的直流平均值為零,所以沒(méi)有直流加到4-20MAC]由此,在二線(xiàn)制上可以同時(shí).傳送互不影響的模擬和數字信號。整個(gè)系統的芯片都采用了三線(xiàn)制方式,因而集成度高,性能穩定,且功耗低。
 
　　本系統的最大的特點(diǎn)是采用了實(shí)現HART協(xié)議的芯片HT2012,因而可以通過(guò)手操器把數據參量寫(xiě)到變送器EEPROM中去,數據參量主要有量程,工程單位變換,阻尼，線(xiàn)性常數,范圍常數等。手操器可以接在智能差壓變送器輸出線(xiàn)上的任何位置。用手操器在線(xiàn)測試回路與自診斷信息時(shí),因手操器采用HART協(xié)議,所以模擬和數字信號在同一傳輸線(xiàn)上各行其道,互不干擾。本系統還能與計算機進(jìn)行通訊。當計算機只有一臺智能差壓變送器時(shí),即點(diǎn)一點(diǎn)方式，此時(shí)可繼續使用4-20MA信號進(jìn)行模擬傳輸,而測量，調整和測試數據用數字方式傳輸，模擬信號不受影響，仍可按正常方式用于控制目的。當從機為多臺智能差壓變送器時(shí)，即多站方式,此時(shí)4-20MA信號作廢,每一臺變送器的工作電流均為4MA。由于每一臺智能差壓變送器都有唯一編號，所以計算機根據從機各自的編號分別對每一臺智能差壓變送器進(jìn)行操作,將從機輸出信號的數字量傳送到計算機中，即此時(shí)所有的測量,調整和測試數均據用數字方式傳輸。
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)現看門(mén)狗技術(shù)在采樣和計算風(fēng)速前，通過(guò)CPU用編程方式實(shí)現對A/D器件的傳輸方式,通道選擇,增益大小,濾波常數等設置,然后再完成數據的采集,計算和輸出。傳感器的溫度補償是采用了多段折線(xiàn)逼近法來(lái)實(shí)現的。
 
5結語(yǔ)
　　由于該裝置運用了三線(xiàn)串行總線(xiàn)方式,使線(xiàn)路大為簡(jiǎn)化,性能高,體積小。采用HART協(xié)議的MODEM芯片HT2012,使系統成為現場(chǎng)智能變送器,能與計算機進(jìn)行通訊,因而在電力,化工行業(yè)具有廣泛的用途。