萬嵩 丁瑋 高煉

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所， 武漢430064）

電接點(diǎn)液位檢測(cè)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于液體液位的判斷和測(cè)量領(lǐng)域，一般的檢測(cè)方法是采用直流或工頻低壓交流，對(duì)電極持續(xù)通電，通過檢測(cè)通過電極的電流來判斷電極是否被液體浸沒。對(duì)于電極短時(shí)浸沒于液體的應(yīng)用場(chǎng)合，如液位報(bào)警等，上述電接點(diǎn)液位檢測(cè)電路是適合的，但對(duì)于電極長時(shí)間浸沒于被測(cè)液體，用于指示液位的場(chǎng)合，對(duì)電極的持續(xù)通電會(huì)使電極很快被電解腐蝕和極化并失去作用，給設(shè)備運(yùn)行安全性、操作及維護(hù)帶來了極大的不便[2]。

本文針對(duì)長時(shí)間浸沒于液體的電接點(diǎn)電極，在持續(xù)通電情況下容易腐蝕的問題，進(jìn)行了調(diào)研和分析，研制出的電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀，采用新的檢測(cè)方法，減少電接點(diǎn)的電極通電電解極化腐蝕，提高測(cè)量電極的使用壽命。

1 電接點(diǎn)液位檢測(cè)方法研究

某蒸汽發(fā)生器電接點(diǎn)水位檢測(cè)裝置向電接點(diǎn)水位信號(hào)探頭提供連續(xù)的交流 24 V電壓用于檢測(cè)[1]，經(jīng)運(yùn)行證明，此種檢測(cè)供電方式有很大的缺陷，是造成電解腐蝕的主要原因，主要是：

電接點(diǎn)水位探頭工作在蒸汽發(fā)生器測(cè)量筒內(nèi)，筒中使用的水含磷酸鹽、磷酸氫鹽、亞硫酸鹽等強(qiáng)堿弱酸鹽化學(xué)成分，整體水質(zhì)呈堿性，PH值為9.8～10.2，電解質(zhì)含量高。而電接點(diǎn)水位探頭兩極間采用交流電壓供電，這種外加電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過某種金屬接觸產(chǎn)生的電位差。當(dāng)水淹沒水位探頭時(shí)，探頭兩極導(dǎo)通，構(gòu)成導(dǎo)電回路，由于導(dǎo)電回路的不對(duì)稱性，存在直流分量，且交流24 V電源一直加在水位探頭上，通電時(shí)間長，極大地促進(jìn)了陽極材料（精密合金）的電化學(xué)腐蝕[3]。

因此新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀著重從以下三個(gè)方面進(jìn)行研究。

1）縮短供電時(shí)間

通電時(shí)間的長短直接影響到電解腐蝕的程度，新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀檢測(cè)電路利用單片機(jī)，通過軟件編程對(duì)電接點(diǎn)水位探頭進(jìn)行掃描檢測(cè)、控制并減少探頭電極檢測(cè)時(shí)的通電時(shí)間，既可保證設(shè)備的使用功能，又可減少長期通電造成的電解腐蝕，如圖1所示。

圖1 兩種電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀電極檢測(cè)供電波形

原有普通電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀電路對(duì)電極供電是連續(xù)的交流正弦波，新型檢測(cè)儀電路對(duì)電極供電則是斷續(xù)的正負(fù)脈沖方波，周期為 T（軟件可調(diào)），每個(gè)周期通電時(shí)間為△t（軟件可調(diào)）。△t設(shè)置在 ms級(jí)即可有效檢測(cè)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)置周期T（通常大于1 s），則快速斷續(xù)采樣不會(huì)影響對(duì)液面的監(jiān)測(cè)?？梢钥闯鲈谕姇r(shí)間方面，新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀大大優(yōu)于原有普通電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀[4]。

2）改善電極供電電流的對(duì)稱性

原普通電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀采用工頻低壓交流給電接點(diǎn)電極通電，通過三極管等電子器件組成的信號(hào)檢測(cè)電路來檢測(cè)回路中的電流，僅能在交流半周期進(jìn)行檢測(cè)，在一個(gè)周期內(nèi)流經(jīng)電接點(diǎn)電極的正、負(fù)方向檢測(cè)電流的導(dǎo)電回路不同，只有一個(gè)方向的檢測(cè)電流的導(dǎo)電回路包含檢測(cè)電路，因此不可避免產(chǎn)生直流分量。

新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀檢測(cè)電路采用單片機(jī)控制的脈沖瞬時(shí)測(cè)量電路，脈沖發(fā)生部分電路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱（不考慮線阻和元器件差異），且正負(fù)半周檢測(cè)電流共用一個(gè)信號(hào)檢測(cè)電路（參見圖3），可在電路結(jié)構(gòu)上有效保證通過電極正負(fù)電流的對(duì)稱性，在軟件設(shè)置中保證正負(fù)脈沖電流時(shí)間上的一致性。

3）優(yōu)化供電關(guān)系

優(yōu)化供電關(guān)系，電極供電電壓高，電流大，造成腐蝕快，但電流過小，造成電信號(hào)檢測(cè)易受干擾，產(chǎn)生誤報(bào)警，綜合考慮這二者的關(guān)系以及二極管管壓降、水電阻大小和比較器靈敏度等因素，設(shè)計(jì)合理的電壓幅值，并增加抗干擾措施。

2 電路原理

2.1 電路組成

電路原理框圖如圖2所示。

圖2 電路原理框圖

電路原理圖如圖 3所示。電源 VCC用于電接點(diǎn)電極的檢測(cè)。本電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀選用PIC18F258型單片機(jī)和54LS138譯碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)電接點(diǎn)信號(hào)的測(cè)量通道選擇、檢測(cè)信號(hào)判斷和輸出。對(duì)每路電接點(diǎn)采用兩個(gè)光電隔離器，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)電接點(diǎn)的正反向交替供電，其導(dǎo)通電壓信號(hào)送至信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行檢測(cè)[5]。

多通道電接點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中，電接點(diǎn)導(dǎo)通后在檢測(cè)電阻R1上產(chǎn)生的電壓信號(hào)VIN通過比較器與預(yù)置比較參考電壓VREF進(jìn)行比較，比較結(jié)果通過光電隔離器轉(zhuǎn)換，送出高/低電平信號(hào)至單片機(jī)采集。設(shè)計(jì)的量程檔選擇電阻RX1、RX2、RX3一端接電源VCC，另一端通過多路開關(guān)與分壓電阻R2相連，分別對(duì)應(yīng)不同電導(dǎo)率的液體介質(zhì)，可對(duì)三種不同電導(dǎo)率的液體設(shè)定三個(gè)量程，根據(jù)實(shí)際需要可以更換相應(yīng)電阻改變量程或增加量程選擇檔數(shù)。R2為分壓電阻 ，R2的一端接VCC電源負(fù)端，R2另一端的電壓作為比較器預(yù)置比較參考電壓VREF。

2.2 工作原理

具體工作過程及原理以圖 3中電接點(diǎn) SW1舉例如下：

圖3 電路原理圖

單片機(jī)根據(jù)程序，對(duì)譯碼器U2、U3構(gòu)建的電接點(diǎn)測(cè)量通道選擇電路進(jìn)行控制，使脈沖電路中的光電隔離器V1唯一導(dǎo)通，電接點(diǎn)SW1的電極B的電勢(shì)高于電極A的電勢(shì)，接著使脈沖電路中的光電隔離器V2唯一導(dǎo)通，電接點(diǎn)SW1的電極A的電勢(shì)高于電極B的電勢(shì)。

多通道電接點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)電路將檢測(cè)電阻上的電壓VIN與預(yù)置比較參考電壓VREF進(jìn)行比較，比較結(jié)果送至單片機(jī)。單片機(jī)接收后，判斷電極是否被液體浸沒，并將結(jié)果送至輸出電路，輸出電路將單片機(jī)的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榻狱c(diǎn)信號(hào)，送至顯示控制電路進(jìn)行顯示和控制。當(dāng)電極A和電極B之間沒有液體時(shí)，電接點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)電路回路沒有電流，VIN=0，VIN＜VREF，單片機(jī)判斷電極未被液體浸沒；當(dāng)電極A和電極B之間有液體時(shí)，VIN＞VREF，單片機(jī)判斷電極被液體浸沒。

在對(duì)電接點(diǎn)SW1的檢測(cè)中，導(dǎo)電回路對(duì)稱，電流從電極A流向電極B，又從電極B流向電極A，其方向相反，大小相等。兩個(gè)電流時(shí)間通過單片機(jī)程序設(shè)定成一致并且都控制在毫秒級(jí)，這種正負(fù)對(duì)稱脈沖電流就在檢測(cè)電接點(diǎn)通斷的同時(shí)較好地完成了去極化過程，并且減少了電極檢測(cè)時(shí)的通電時(shí)間，減少了電極材料的腐蝕。

電接點(diǎn)SW1檢測(cè)完畢后，單片機(jī)根據(jù)程序，依次完成對(duì)電解點(diǎn)SW2～SW8的檢測(cè)。

對(duì)于兩路電接點(diǎn)檢測(cè)之間的時(shí)間間隔，可以根據(jù)測(cè)量需要，在滿足測(cè)量需要的情況下加大間隔時(shí)間，同樣可以減少被液體浸沒的電極的通電時(shí)間，減少電極的腐蝕。

循環(huán)重復(fù)上述過程，即可完成對(duì)多路電接點(diǎn)液位的信號(hào)檢測(cè)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀的效果，將普通電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀和新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀，在模擬蒸汽發(fā)生器環(huán)境的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了兩個(gè)月的連續(xù)通電考核試驗(yàn)。

在經(jīng)過60天試驗(yàn)后，可明顯看出用普通電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀檢測(cè)的水位探頭的封頭部分覆蓋大量深褐色金屬粉末，擦除粉末后可以看到封頭材料的顏色已變?yōu)樯詈稚?，表面有被腐蝕的痕跡。而使用新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀檢測(cè)的水位探頭的封頭部分只有輕微褐色粉末，擦除粉末的封頭材料的顏色變?yōu)檩p微褐色，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。見圖4和圖5。

試驗(yàn)結(jié)果表明新型接點(diǎn)液位檢測(cè)儀可以明顯地減少電接點(diǎn)水位探頭電極的電化學(xué)腐蝕。

圖4 合金探頭+普通電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀（已擦拭）

圖5 合金探頭+新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀（已擦拭）

4 結(jié)束語

新型電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，低電壓脈沖測(cè)量，正負(fù)對(duì)稱脈沖去極化方法，使普通測(cè)量電極防腐性能得到大幅度提高，使用壽命大大延長。還可以方便地根據(jù)所測(cè)液體電導(dǎo)率調(diào)整量程，只需一個(gè)信號(hào)檢測(cè)電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多路電接點(diǎn)電極的檢測(cè)，利用電壓比較檢測(cè)技術(shù)，測(cè)量精度高。該電接點(diǎn)液位檢測(cè)儀已經(jīng)投產(chǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好使用效果和經(jīng)濟(jì)效益，有較好的應(yīng)用前景。

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