CN105180148A - 锅炉水位控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锅炉水位控制装置及其控制方法，所述锅炉上设有进水管和出水管；包括壳体，设于壳体内的单片机和存储器，设于壳体上的报警装置及显示器，设于锅炉内的温度传感器和水位传感器；所述水位传感器包括电感线圈、可在电感线圈中上下移动的硅钢棒、设于硅钢棒下端的浮子和用于容纳硅钢棒下部和浮子的导向筒，导向筒下端设有直径小于浮子直径的开口，电感线圈和导向筒均与锅炉固定连接。本发明具有检测精度高、稳定性和可靠性好；适应范围广，不受电感线圈的圈数和线径的限制的特点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种检测精度高，成本低，安全性好的锅炉水位控制装置及其控制方法。
背景技术
现有液位控制仪表存在调试不方便，需要专业的工程师，电路的信号飘移比较严重，信号的采集不稳定，精度低，生产成本高，功能的实现复杂而不稳定，对线圈的圈数和线径有严格的要求的不足。
中国专利授权公开号：CN102650538A，授权公开日2012年8月29日，公开了一种汽车油耗组合测量系统及油箱水位传感器标定方法，主要包括：油箱、油箱出油管、汽车油耗计量仪数据线、汽车油耗计量仪、汽车油耗计量仪出油管、回油管、燃油泵、油箱水位传感器、油箱水位传感器数据线、单片机数据处理器、发动机，单片机数据处理器同时与汽车油耗仪数据线及油箱水位传感器数据线连接，实时计算与显示汽车油耗计量仪的油耗和箱水位传感器的油量。该发明的不足之处是，检测精度低，无法发现传感器故障。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的液位控制仪表的检测精度低、无法发现传感器故障的不足，提供了一种检测精度高，成本低，安全性好的锅炉水位控制装置及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锅炉水位控制装置，所述锅炉上设有进水管和出水管；包括壳体，设于壳体内的单片机和存储器，设于壳体上的报警装置及显示器，设于锅炉内的温度传感器和水位传感器；所述水位传感器包括电感线圈、可在电感线圈中上下移动的硅钢棒、设于硅钢棒下端的浮子和用于容纳硅钢棒下部和浮子的导向筒，导向筒下端设有直径小于浮子直径的开口，电感线圈和导向筒均与锅炉固定连接；所述温度传感器设于电感线圈的铜线绕组上；进水管和出水管上均设有电磁阀，单片机分别与2个电磁阀、报警装置、电感线圈、存储器、显示器和温度传感器电连接。
本发明的水位传感器用于检测锅炉中的水位，锅炉的温度通常在20℃-250℃的范围内，而温度的变化会导致检测电流值的漂移，因此，本发明增加了用于检测电感线圈温度的温度传感器，并经过200至1000次试验，获得了温漂标定系数表，温漂标定系数表中设有与电感线圈的温度T、检测信号的电流值相关的温漂标定系数T1；
随着水位的波动，硅钢棒在电感线圈内上下移动，电感线圈产生电信号u(t)；设定起始时刻为a0；
温度传感器检测电感线圈的温度T，单片机采集a0时刻u(t)的一个值X，单片机利用X、T检索温漂标定系数表，得到与X相对应的温漂标定系数T1；单片机计算得到包含a0时刻在内的单位时间T2内u(t)的最大值X2和最小值X1；
单片机利用公式 计算并得到经过温漂修正的电流检测值Z；
当Z≥W2，单片机控制出水管的电磁阀打开时间B1后关闭；
当Z≤W1，单片机控制进水管的电磁阀打开时间B2后关闭。
从而实现锅炉内水位的自动控制，检测及控制更加精确，有效避免了温度、检测电流值、传感器量程下限Y1、传感器量程上限Y2、u(t)的最大值X2和最小值X1对检测电流的影响，检测及控制精度高、稳定性和可靠性好；适应范围广，不受电感线圈圈数和线径的限制。
因此，本发明具有检测及控制精度高、稳定性和可靠性好；适应范围广，不受电感线圈的圈数和线径的限制的特点。
作为优选，还包括无线收发器和升压电路，无线收发器通过升压电路与单片机电连接，无线收发器与手机或电脑无线连接。
当水位过高或水位过低时，在报警装置发出报警信息及显示器显示报警信息的同时，无线收发器会向手机或电脑发送无线报警信号，从而使远程的工作人员及时获得水位异常的消息。
作为优选，单片机通过放大电路和555定时电路与电感线圈电连接。
作为优选，所述报警处理装置包括喇叭和蜂鸣器，喇叭和蜂鸣器均与单片机电连接。
一种锅炉水位控制装置的控制方法，包括如下步骤：
(5-1)存储器中设有传感器量程下限Y1，传感器量程上限Y2、温漂标定系数表、与水位下限值相对应的电流阈值W1和与水位上限值相对应的电流阈值W2；温漂标定系数表中设有与电感线圈的温度T、检测信号的电流值相关的温漂标定系数T1；设定起始时刻为a0；
(5-1-1)随着水位的波动，硅钢棒在电感线圈内上下移动，电感线圈产生电信号u(t)；
(5-2)温度传感器检测电感线圈的温度T，单片机采集a0时刻u(t)的一个值X，单片机利用X、T检索温漂标定系数表，得到与X相对应的温漂标定系数T1；单片机计算得到包含a0时刻在内的单位时间T2内u(t)的最大值X2和最小值X1；
(5-3)单片机利用公式 计算并得到经过温漂修正的电流检测值Z；单片机将Z和当前时刻存储在存储器中；
(5-4)当Z≥W2，单片机控制出水管的电磁阀打开时间B1后关闭；
当Z≤W1，单片机控制进水管的电磁阀打开时间B2后关闭；
当W1＜Z＜W2，间隔时间T2后，使a0的值增加T2，返回步骤(5-2)。
作为优选，当电感线圈的工作时间超过4分钟后，所述步骤(5-4)由下述步骤替换：
单片机读取存储器中存储的距离当前时刻T2时间之前的Z，计算并得到当前时刻的Z和T2时间之前的Z的平均值Z′，
当Z′≥W2，单片机控制出水管的电磁阀打开时间B1后关闭；
当Z′≤W1，单片机控制进水管的电磁阀打开时间B2后关闭；
当W1＜Z′＜W2，间隔时间T2后，使a0的值增加T2，返回步骤(5-2)。
因为锅炉的水位实时在波动，实测的水位可能是波峰或波底，本发明每间隔T2采集u(t)的一个值X，计算并得到当前时刻的Z和T2时间之前的Z的平均值Z′，使水位信号的输出更平滑，并用Z′来比较判断水位的高低，从而提高了水位检测的稳定性、可靠性。
作为优选，步骤(5-1-1)和(5-2)之间还包括如下步骤：
(7-1)存储器中设有j的初始值为1，i的初始值为1，设有故障阈值E；
(7-2)单片机计算u(t)的局部极大值并通过三次样条插值获得上包络线uup(t)；
(7-3)计算信号u(t)的局部极小值并通过三次样条插值获得下包络线ulow(t)；
(7-4)定义平均包络m1(t)＝[uup(t)+ulow(t)]/2；
(7-5)利用公式hj(t)＝u(t)-mj(t)计算差值hj(t)；
(7-6)若hj(t)不满足IMF筛分停止条件，使u(t)＝hj(t)，j值增加1，返回步骤(7-2)对hj(t)继续进行分解；当hj(t)满足IMF筛分停止条件，则得到u(t)信号的第1个IMF分量c1(t)＝hj(t)；
(7-7)利用公式ri(t)＝u(t)-ci(t)计算剩余分量ri(t)；
(7-8)当ri(t)不满足分解停止条件时，使u(t)＝ri(t)，使i值增加1，返回步骤(7-2)对ri(t)继续分解；当满足筛分停止条件时，设n1＝i，得到n1个IMF分量ci(t)和1个剩余分量rn(t)，u(t)则可以表示为抽取ci(t)的N个抽样值ci(k)，k＝1，2，...，N；
(7-9)单片机利用公式计算u(t)的各个分量能量，比较u(t)的各分量能量Emax，选取E1，E2，...，En中最大值Emax，当Emax＞E时，单片机做出水位传感器故障的判断，显示器显示水位传感器故障的信息，报警装置发出报警信息；单片机控制水位传感器及温度传感器停止工作；
当Emax≤E时，转入步骤(5-2)；
其中，(7-6)、(7-8)的筛分停止条件采用仿柯西收敛准则，当SD＜ε时筛分停止，ε通常介于0.2与0.3之间，T为设定的常数；分解停止条件为剩余信号ri(t)变为单调函数。
作为优选，T1与X成反比，T1与T成反比。
作为优选，T2的取值范围为0.8秒至1.25秒。
作为优选，Y1的取值范围为3.5毫安至5.5毫安，Y2的取值范围为19.5毫安至23毫安。
因此，本发明具有如下有益效果：检测及控制精度高、稳定性和可靠性好；适应范围广，不受电感线圈的圈数和线径的限制。
附图说明
图1是本发明的一种原理框图；
图2是本发明的实施例1的一种流程图。
图中：单片机1、存储器2、报警装置3、显示器4、温度传感器5、水位传感器6、电感线圈7、硅钢棒8、无线收发器9、升压电路10、状态指示灯11、喇叭12、蜂鸣器13、手机14、电磁阀15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示的实施例是一种锅炉水位控制装置，锅炉上设有进水管和出水管；包括壳体，设于壳体内的单片机1和存储器2，设于壳体上的报警装置3及显示器4，设于锅炉内的温度传感器5和水位传感器6；水位传感器包括电感线圈7、可在电感线圈中上下移动的硅钢棒8、设于硅钢棒下端的浮子和用于容纳硅钢棒下部和浮子的导向筒，导向筒下端设有直径小于浮子直径的开口，电感线圈和导向筒均与锅炉固定连接；所述温度传感器设于电感线圈的铜线绕组上；进水管和出水管上均设有电磁阀15，单片机分别与2个电磁阀、报警装置、电感线圈、存储器、显示器和温度传感器电连接。
还包括无线收发器9和升压电路10，无线收发器通过升压电路与单片机电连接，无线收发器与手机14无线连接。单片机通过放大电路11和555定时电路16与电感线圈电连接。
报警处理装置包括喇叭12和蜂鸣器13，喇叭和蜂鸣器均与单片机电连接。
如图2所示，一种锅炉水位控制装置的控制方法，包括如下步骤：
步骤100，电感线圈产生电信号
存储器中设有传感器量程下限Y1，传感器量程上限Y2、温漂标定系数表、与水位下限值相对应的电流阈值W1和与水位上限值相对应的电流阈值W2；温漂标定系数表中设有与电感线圈的温度T、检测信号的电流值相关的温漂标定系数T1；设定起始时刻为a0；
| T | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 |
| X | 10 | 11 | 11.8 | 12.5 | 13.1 | 13.6 | 14.2 | 14.7 | 15.2 | 15.6 | 15.9 | 16.3 | 16.5 | 16.8 |
| T1 | 1 | 0.909 | 0.847 | 0.800 | 0.763 | 0.735 | 0.704 | 0.680 | 0.658 | 0.641 | 0.629 | 0.613 | 0.606 | 0.595 |
温漂标定系数表
温漂标定系数表中T的单位为℃，X的单位为mA；
步骤110，随着水位的波动，硅钢棒在电感线圈内上下移动，电感线圈产生电信号u(t)；
步骤200，获得温漂标定系数T1，单位时间T2＝1秒内u(t)的最大值X2和最小值X1
温度传感器检测电感线圈的温度T，单片机采集a0时刻u(t)的一个值X，单片机利用X、T检索温漂标定系数表，得到与X相对应的温漂标定系数T1；单片机计算得到包含a0时刻在内的单位时间T2内u(t)的最大值X2和最小值X1；
步骤300，计算并得到经过温漂修正的电流检测值Z
单片机利用公式 计算并得到经过温漂修正的电流检测值Z；单片机将Z和当前时刻存储在存储器中；
步骤400，水位高低的判断及控制
当Z≥W2，单片机控制出水管的电磁阀打开时间5分钟后关闭；
当Z≤W1，单片机控制进水管的电磁阀打开时间15分钟后关闭；
当W1＜Z＜W2，间隔时间T2后，使a0的值增加T2，返回步骤200。
本实施例中，Y1为4mA，Y2为20mA。
实施例2
实施例2包括实施例1中的所有结构和步骤部分，当电感线圈的工作时间超过4分钟后，实施例1的步骤400由下述步骤替换：
单片机读取存储器中存储的距离当前时刻T2时间之前的Z，计算并得到当前时刻的Z和T2时间之前的Z的平均值Z′，
当Z′≥W2，单片机控制出水管的电磁阀打开时间5分钟后关闭；
当Z′≤W1，单片机控制进水管的电磁阀打开时间15分钟后关闭；
当W1＜Z′＜W2，间隔时间T2后，使a0的值增加T2，返回步骤200。
实施例3
实施例3包括实施例1中的所有结构和步骤部分，实施例1的步骤110和200之间还包括如下步骤：
(7-1)存储器中设有j的初始值为1，i的初始值为1，设有故障阈值E；
(7-2)单片机计算u(t)的局部极大值并通过三次样条插值获得上包络线uup(t)；
(7-3)计算信号u(t)的局部极小值并通过三次样条插值获得下包络线ulow(t)；
(7-4)定义平均包络m1(t)＝[uup(t)+ulow(t)]/2；
(7-5)利用公式hj(t)＝u(t)-mj(t)计算差值hj(t)；
(7-6)若hj(t)不满足IMF筛分停止条件，使u(t)＝hj(t)，j值增加1，返回步骤(7-2)对hj(t)继续进行分解；当hj(t)满足IMF筛分停止条件，则得到u(t)信号的第1个IMF分量c1(t)＝hj(t)；
(7-7)利用公式ri(t)＝u(t)-ci(t)计算剩余分量ri(t)；
(7-8)当ri(t)不满足分解停止条件时，使u(t)＝ri(t)，使i值增加1，返回步骤(7-2)对ri(t)继续分解；当满足筛分停止条件时，设n1＝i，得到n1个IMF分量ci(t)和1个剩余分量rn(t)，u(t)则可以表示为抽取ci(t)的N个抽样值ci(k)，k＝1，2，...，N；
(7-9)单片机利用公式计算u(t)的各个分量能量，比较u(t)的各分量能量Emax，选取E1，E2，...，En中最大值Emax，当Emax＞E时，单片机做出水位传感器故障的判断，显示器显示水位传感器故障的信息，报警装置发出报警信息；单片机控制水位传感器及温度传感器停止工作；
当Emax≤E时，转入步骤200；
其中，(7-6)、(7-8)的筛分停止条件采用仿柯西收敛准则，当SD＜ε时筛分停止，ε通常介于0.2与0.3之间，T为设定的常数；分解停止条件为剩余信号ri(t)变为单调函数。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种锅炉水位控制装置，所述锅炉上设有进水管和出水管；其特征是，包括壳体，设于壳体内的单片机(1)和存储器(2)，设于壳体上的报警装置(3)及显示器(4)，设于锅炉内的温度传感器(5)和水位传感器(6)；所述水位传感器包括电感线圈(7)、可在电感线圈中上下移动的硅钢棒(8)、设于硅钢棒下端的浮子和用于容纳硅钢棒下部和浮子的导向筒，导向筒下端设有直径小于浮子直径的开口，电感线圈和导向筒均与锅炉固定连接；所述温度传感器设于电感线圈的铜线绕组上；进水管和出水管上均设有电磁阀(15)，单片机分别与2个电磁阀、报警装置、电感线圈、存储器、显示器和温度传感器电连接。
2.根据权利要求1所述的锅炉水位控制装置，其特征是，还包括无线收发器(9)和升压电路(10)，无线收发器通过升压电路与单片机电连接，无线收发器与手机(14)或电脑无线连接。
3.根据权利要求1所述的锅炉水位控制装置，其特征是，单片机通过放大电路(11)和555定时电路(16)与电感线圈电连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的锅炉水位控制装置，其特征是，所述报警处理装置包括喇叭(12)和蜂鸣器(13)，喇叭和蜂鸣器均与单片机电连接。
5.一种适用于权利要求1的锅炉水位控制装置的控制方法，其特征是，包括如下步骤：
(5-1)存储器中设有传感器量程下限Y1，传感器量程上限Y2、温漂标定系数表、与水位下限值相对应的电流阈值W1和与水位上限值相对应的电流阈值W2；温漂标定系数表中设有与电感线圈的温度T、检测信号的电流值相关的温漂标定系数T1；设定起始时刻为a0；
(5-1-1)随着水位的波动，硅钢棒在电感线圈内上下移动，电感线圈产生电信号u(t)；
(5-2)温度传感器检测电感线圈的温度T，单片机采集a0时刻u(t)的一个值X，单片机利用X、T检索温漂标定系数表，得到与X相对应的温漂标定系数T1；单片机计算得到包含a0时刻在内的单位时间T2内u(t)的最大值X2和最小值X1；
(5-3)单片机利用公式计算并得到经过温漂修正的电流检测值Z；单片机将Z和当前时刻存储在存储器中；
(5-4)当Z≥W2，单片机控制出水管的电磁阀打开时间B1后关闭；
当Z≤W1，单片机控制进水管的电磁阀打开时间B2后关闭；
当W1＜Z＜W2，间隔时间T2后，使a0的值增加T2，返回步骤(5-2)。
6.根据权利要求5所述的锅炉水位控制装置的控制方法，其特征是，当电感线圈的工作时间超过4分钟后，所述步骤(5-4)由下述步骤替换：
单片机读取存储器中存储的距离当前时刻T2时间之前的Z，计算并得到当前时刻的Z和T2时间之前的Z的平均值Z′，
当Z′≥W2，单片机控制出水管的电磁阀打开时间B1后关闭；
当Z′≤W1，单片机控制进水管的电磁阀打开时间B2后关闭；
当W1＜Z′＜W2，间隔时间T2后，使a0的值增加T2，返回步骤(5-2)。
7.根据权利要求5所述的锅炉水位控制装置的控制方法，其特征是，步骤(5-1-1)和(5-2)之间还包括如下步骤：
(7-1)存储器中设有j的初始值为1，i的初始值为1，设有故障阈值E；
(7-2)单片机计算u(t)的局部极大值并通过三次样条插值获得上包络线uup(t)；
(7-3)计算信号u(t)的局部极小值并通过三次样条插值获得下包络线ulow(t)；
(7-4)定义平均包络m1(t)＝[uup(t)+ulow(t)]/2；
(7-5)利用公式hj(t)＝u(t)-mj(t)计算差值hj(t)；
(7-6)若hj(t)不满足IMF筛分停止条件，使u(t)＝hj(t)，j值增加1，返回步骤(7-2)对hj(t)继续进行分解；当hj(t)满足IMF筛分停止条件，则得到u(t)信号的第1个IMF分量c1(t)＝hj(t)；
(7-7)利用公式ri(t)＝u(t)-cj(t)计算剩余分量ri(t)；
(7-8)当ri(t)不满足分解停止条件时，使u(t)＝ri(t)，使i值增加1，返回步骤(7-2)对ri(t)继续分解；当满足筛分停止条件时，设n1＝i，得到n1个IMF分量ci(t)和1个剩余分量rn(t)，u(t)则可以表示为抽取ci(t)的N个抽样值ci(k)，k＝1，2，...，N；
(7-9)单片机利用公式计算u(t)的各个分量能量，比较u(t)的各分量能量Emax，选取E1，E2，...，En中最大值Emax，当Emax＞E时，单片机做出水位传感器故障的判断，显示器显示水位传感器故障的信息，报警装置发出报警信息；单片机控制水位传感器及温度传感器停止工作；
当Emax≤E时，转入步骤(5-2)；
其中，(7-6)、(7-8)的筛分停止条件采用仿柯西收敛准则，当SD＜ε时筛分停止，ε通常介于0.2与0.3之间，T为设定的常数；分解停止条件为剩余信号ri(t)变为单调函数。
8.根据权利要求5所述的锅炉水位控制装置的控制方法，其特征是，T1与X成反比，T1与T成反比。
9.根据权利要求5所述的锅炉水位控制装置的控制方法，其特征是，T2的取值范围为0.8秒至1.25秒。
10.根据权利要求5或6或7或8或9所述的锅炉水位控制装置的控制方法，其特征是，Y1的取值范围为3.5毫安至5.5毫安，Y2的取值范围为19.5毫安至23毫安。
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