一种新型电接点液位检测仪

万嵩 丁玮 高炼

（武汉第二船舶设计研究所， 武汉430064）

电接点液位检测系统，广泛应用于液体液位的判断和测量领域，一般的检测方法是采用直流或工频低压交流，对电极持续通电，通过检测通过电极的电流来判断电极是否被液体浸没。对于电极短时浸没于液体的应用场合，如液位报警等，上述电接点液位检测电路是适合的，但对于电极长时间浸没于被测液体，用于指示液位的场合，对电极的持续通电会使电极很快被电解腐蚀和极化并失去作用，给设备运行安全性、操作及维护带来了极大的不便[2]。

本文针对长时间浸没于液体的电接点电极，在持续通电情况下容易腐蚀的问题，进行了调研和分析，研制出的电接点液位检测仪，采用新的检测方法，减少电接点的电极通电电解极化腐蚀，提高测量电极的使用寿命。

1 电接点液位检测方法研究

某蒸汽发生器电接点水位检测装置向电接点水位信号探头提供连续的交流 24 V电压用于检测[1]，经运行证明，此种检测供电方式有很大的缺陷，是造成电解腐蚀的主要原因，主要是：

电接点水位探头工作在蒸汽发生器测量筒内，筒中使用的水含磷酸盐、磷酸氢盐、亚硫酸盐等强碱弱酸盐化学成分，整体水质呈碱性，PH值为9.8～10.2，电解质含量高。而电接点水位探头两极间采用交流电压供电，这种外加电压远远超过某种金属接触产生的电位差。当水淹没水位探头时，探头两极导通，构成导电回路，由于导电回路的不对称性，存在直流分量，且交流24 V电源一直加在水位探头上，通电时间长，极大地促进了阳极材料（精密合金）的电化学腐蚀[3]。

因此新型电接点液位检测仪着重从以下三个方面进行研究。

1）缩短供电时间

通电时间的长短直接影响到电解腐蚀的程度，新型电接点液位检测仪检测电路利用单片机，通过软件编程对电接点水位探头进行扫描检测、控制并减少探头电极检测时的通电时间，既可保证设备的使用功能，又可减少长期通电造成的电解腐蚀，如图1所示。

图1 两种电接点液位检测仪电极检测供电波形

原有普通电接点液位检测仪电路对电极供电是连续的交流正弦波，新型检测仪电路对电极供电则是断续的正负脉冲方波，周期为 T（软件可调），每个周期通电时间为△t（软件可调）。△t设置在 ms级即可有效检测，根据应用场合设置周期T（通常大于1 s），则快速断续采样不会影响对液面的监测。可以看出在通电时间方面，新型电接点液位检测仪大大优于原有普通电接点液位检测仪[4]。

2）改善电极供电电流的对称性

原普通电接点液位检测仪采用工频低压交流给电接点电极通电，通过三极管等电子器件组成的信号检测电路来检测回路中的电流，仅能在交流半周期进行检测，在一个周期内流经电接点电极的正、负方向检测电流的导电回路不同，只有一个方向的检测电流的导电回路包含检测电路，因此不可避免产生直流分量。

新型电接点液位检测仪检测电路采用单片机控制的脉冲瞬时测量电路，脉冲发生部分电路结构完全对称（不考虑线阻和元器件差异），且正负半周检测电流共用一个信号检测电路（参见图3），可在电路结构上有效保证通过电极正负电流的对称性，在软件设置中保证正负脉冲电流时间上的一致性。

3）优化供电关系

优化供电关系，电极供电电压高，电流大，造成腐蚀快，但电流过小，造成电信号检测易受干扰，产生误报警，综合考虑这二者的关系以及二极管管压降、水电阻大小和比较器灵敏度等因素，设计合理的电压幅值，并增加抗干扰措施。

2 电路原理

2.1 电路组成

电路原理框图如图2所示。

图2 电路原理框图

电路原理图如图 3所示。电源 VCC用于电接点电极的检测。本电接点液位检测仪选用PIC18F258型单片机和54LS138译码器实现对电接点信号的测量通道选择、检测信号判断和输出。对每路电接点采用两个光电隔离器，在单片机的控制下实现电接点的正反向交替供电，其导通电压信号送至信号检测电路进行检测[5]。

多通道电接点信号检测电路设计中，电接点导通后在检测电阻R1上产生的电压信号VIN通过比较器与预置比较参考电压VREF进行比较，比较结果通过光电隔离器转换，送出高/低电平信号至单片机采集。设计的量程档选择电阻RX1、RX2、RX3一端接电源VCC，另一端通过多路开关与分压电阻R2相连，分别对应不同电导率的液体介质，可对三种不同电导率的液体设定三个量程，根据实际需要可以更换相应电阻改变量程或增加量程选择档数。R2为分压电阻 ，R2的一端接VCC电源负端，R2另一端的电压作为比较器预置比较参考电压VREF。

2.2 工作原理

具体工作过程及原理以图 3中电接点 SW1举例如下：

图3 电路原理图

单片机根据程序，对译码器U2、U3构建的电接点测量通道选择电路进行控制，使脉冲电路中的光电隔离器V1唯一导通，电接点SW1的电极B的电势高于电极A的电势，接着使脉冲电路中的光电隔离器V2唯一导通，电接点SW1的电极A的电势高于电极B的电势。

多通道电接点信号检测电路将检测电阻上的电压VIN与预置比较参考电压VREF进行比较，比较结果送至单片机。单片机接收后，判断电极是否被液体浸没，并将结果送至输出电路，输出电路将单片机的输出转变为接点信号，送至显示控制电路进行显示和控制。当电极A和电极B之间没有液体时，电接点信号检测电路回路没有电流，VIN=0，VIN＜VREF，单片机判断电极未被液体浸没；当电极A和电极B之间有液体时，VIN＞VREF，单片机判断电极被液体浸没。

在对电接点SW1的检测中，导电回路对称，电流从电极A流向电极B，又从电极B流向电极A，其方向相反，大小相等。两个电流时间通过单片机程序设定成一致并且都控制在毫秒级，这种正负对称脉冲电流就在检测电接点通断的同时较好地完成了去极化过程，并且减少了电极检测时的通电时间，减少了电极材料的腐蚀。

电接点SW1检测完毕后，单片机根据程序，依次完成对电解点SW2～SW8的检测。

对于两路电接点检测之间的时间间隔，可以根据测量需要，在满足测量需要的情况下加大间隔时间，同样可以减少被液体浸没的电极的通电时间，减少电极的腐蚀。

循环重复上述过程，即可完成对多路电接点液位的信号检测。

3 试验验证

为了验证新型电接点液位检测仪的效果，将普通电接点液位检测仪和新型电接点液位检测仪，在模拟蒸汽发生器环境的试验台架上进行了两个月的连续通电考核试验。

在经过60天试验后，可明显看出用普通电接点液位检测仪检测的水位探头的封头部分覆盖大量深褐色金属粉末，擦除粉末后可以看到封头材料的颜色已变为深褐色，表面有被腐蚀的痕迹。而使用新型电接点液位检测仪检测的水位探头的封头部分只有轻微褐色粉末，擦除粉末的封头材料的颜色变为轻微褐色，没有发现明显的腐蚀痕迹。见图4和图5。

试验结果表明新型接点液位检测仪可以明显地减少电接点水位探头电极的电化学腐蚀。

图4 合金探头+普通电接点液位检测仪（已擦拭）

图5 合金探头+新型电接点液位检测仪（已擦拭）

4 结束语

新型电接点液位检测仪采用时分复用技术，低电压脉冲测量，正负对称脉冲去极化方法，使普通测量电极防腐性能得到大幅度提高，使用寿命大大延长。还可以方便地根据所测液体电导率调整量程，只需一个信号检测电路即可实现对多路电接点电极的检测，利用电压比较检测技术，测量精度高。该电接点液位检测仪已经投产，在实际应用中取得了良好使用效果和经济效益，有较好的应用前景。

[1] 邓天勇. 蒸汽发生器电接点水位测量技术研究[J].船电技术, 2005 (1):57-59.

[2] 魏智泉. 普通电接点水位计问题技术浅析及解决方法[J]. 科技创新导报, 2009(35):60-61.

[3] 张建中. 锅炉汽包电接点水位计电极腐蚀问题的探讨及解决方案[J]. 全国火电 100 MW级机组技术协作会第四届年会论文集, 2005:11-12.

[4] 陈学永等. 智能电接点水位计[J]. 仪表技术与传感器, 2005(4):l4-16.

[5] 刘和平等. PIC○R18FXXX 单片机原理及接口程序设计[ M ]. 北京：航空航天大学出版社，2004.