专利名称：结合锅炉水位检测系统的电路故障检测方法和设备的制作方法
背景技术：
(1)发明领域本发明一般涉及锅炉水位检测器的领域，尤其涉及的是用于在锅炉水位检测器中检测电气故障和检测水汽比的系统。
(2)相关技术描述在蒸汽锅炉中，如果暴露出火管，那么有可能将会导致锅炉爆炸，因此对水位进行控制是非常重要的。水对所述火管进行导热的速率要比蒸汽高出很多倍，因此，如果蒸汽覆盖火管，那么来自火管的热传导将会不足，所述火管将会快速过热。为了避免出现这种可能造成灾难性后果的事件，蒸汽系统有必要为每个锅炉提供冗余的水位指示器。
有一段时间，一种解决冗余水位指示器需要的方案是包含两个独立的可视水位指示器。这种可视水位指示器需要指示器顶部和底部具有穿透性，此外还需要一个观察孔，其中水位在所述观察孔中是非常明显的。然而，锅炉通常是在很高的温度和压力之下工作的，其正常工作压力常常高达3000psi。而这个因素给工程技术提出了一个挑战，那就是如何使得观察孔在这种环境中足够牢固。结果，观察孔经常泄漏，而在这么高的压力之下，一个很小的泄漏就有可能迅速发展成一个严重的问题。
有鉴于这个问题，诸如ASME之类的标准制定组织规定了替换的标准来提供冗余水位指示器。举例来说，可以将一个这种冗余可视指示器隔离并且改为使用一个电子水位指示器。对这种电子水位指示器来说，所述指示器自身必须非常牢固，并且最好是冗余和完全独立的系统，而不是扫描、轮询或复用系统，其中所述电子水位指示器通常是一个并行电路。然而，电子水位指示器也因为所涉及的高温而在设计中提出了自己的挑战。典型的电子水位指示器使用的是一个具有定距离间隔的导电电极(也称为探针)的水柱计系统，其中水柱计直接安装在锅炉侧面。而测量的则是施加到每一个定距离间隔电极的电势和电流。如果在导体之间有水存在，那么水的低阻抗将会导致产生一个相对较高的测量电流。与之相反，蒸汽的导电性则要差很多，这样一来，如果在导体之间存在的是蒸汽，那么高阻抗将会产生一个相对较低的测量电流。通常，较高的电流被用于照亮一种颜色或是一种类型的灯，由此向操作员给出一个易于查看的水位指示。附加的逻辑电路则可以提供蒸汽高出水体错误指示、高和低水位断路点、警报、预警、显示、继电器闭合、SSR传导以及其他指示。
某些此类电子水位指示器使用的是一个很低的DC电势，而对其施加的则是一个外加的方波周期信号。所述DC电势可能会导致水的水解作用，并且有可能导致蒸汽系统内部氢、氧含量达到发生爆炸的浓度或者出现电镀现象。因此需要一种避免了水解问题的用于锅炉的电子水位指示系统。
此外，标准制定组织还制定了多种自诊断特性，例如电源监视、时钟功能监视、电极短路检测、明线检测以及水过汽(water oversteam)检测。为了服务于这些不同的功能，目前提供了很多系统，但在本领域中还需要提供一种能够有效检测电路短路、电路开路、和/或水汽比状况的集成电子系统，其中所述电子系统的感测电路不具有可能导致水解的直流分量。
Martin等人在美国专利4,020,488中描述了一种用于在参数值高出或低于预定限度的时候发出指示的设备。该设备包括两个或更多感测器，其中将每一个感测器都调整成在参数超出相应规定值的时候提供一个报警信号，并且其中至少一个感测器的值等于或超出了预定限度；此外，所述设备还包含了逻辑装置，其中包括一个与两个感测器相连并且调整为提供一个“参数超限”信号的验证电路。这个信号可用于在只有两个感测器全都提供了报警信号的时候操作一个警报器和/或紧急跳闸。在这里还描述了不同形式的设备，其中感测的参数则是发电站所使用的蒸汽厂中的不同装备的水位，由此提供了一个表示高和/或低水位的指示。
Bartles在美国专利4,224,606中描述了一种用于故障安全型锅炉水位探针并具有安全测试功能的水位控制电路。所述控制电路与一个受控于场效应晶体管并具有恰当定义的操作阈值的放大器相连。在这里提供了一个安全测试开关，以便将放大器的输入拉到门限点下方，但并未将其拉至短路状况。通过观察系统输出，可以确定是否正确安装了水位检测器，以及放大器是否存在任何类型的不安全的操作失误。
Spencer在美国专利4,482,891中描述了一种牢固的电子水位计设备，该设备尤其适合与锅炉锅筒水位计结合使用。所述设备包含了处于水柱中的简单探针感测器，差动放大感测器，只响应同时存在最小电平信号和某个频率的情况的检测器，以及连续处理四个检测器输出的逻辑电路它的相关探针检测器，其中一个探针检测器处于下方，另外两个则处于上方。
Cosser在美国专利4,646,569中描述了一种用于测量容器中的液体水位的水位测量系统。其中建立了处于中央柱电极与环绕的圆柱形电极之间的第一传导路径的电阻抗，以及在柱体与容器之间的第二传导路径的电阻抗。第一传导路径由涂在圆柱R的绝缘外层限制成低于最小水位。第二传导路径则会随水位而变化。表示水位的输出信号则是通过采用电势测定方法而从电极上提取的。通过将所述信号应用于一个具有匹配非线性传送函数的电路，可以线性化所述信号。通过使用这种装置，可以产生一个表示水位的连续输出信号，该信号不会受到因为流体电阻率改变所导致的差错的影响。
Colley等人在美国专利4,692,591中描述了一种用于对电极锅炉蒸汽增湿器进行控制的控制器，其中可以从一个多相交流电流源来控制所述蒸汽增湿器。在这里，多个电流回路变压器与锅炉电极相耦合，这些变压器对在多相交流电各个相位中提取的单独电流进行感测。多个全波电桥整流器分别将电流回路次级线圈耦合到电压放大器的输入端，这样一来，放大器的输出端表示的是在锅炉电极电路各个相位中感测的最高电流。而在电压放大器的输出超出一个预定阈值的时候则产生一个控制效应，由此增湿器的操作是依照通过每个锅炉电极所提取的单独相位电流最大值而被控制的。
同样，Colley等人在美国专利4,792,660中描述了一种用于对电极锅炉蒸汽增湿器进行控制的控制器。所述控制器包含了多个与锅炉电极相耦合的电流回路变压器，以便感测电极锅炉提取的电流。电流电平检测器则向关联于锅炉的电磁阀提供一个控制电压，以便排出来自锅炉的预定水量，从而在电极电流超于预定电流上限的时候减小电机电流。此外还提供了一个可以重新设定的计数器，以便限制为了减小电极电流所执行的自动尝试的数目。湿度调节器的标准周期性活动则将计数器复位，以免通过长期获取单独的过量电流事件而导致达到预定计数。在锅炉正常操作过程中将对电极电流降低到一对预定电流电平之间所需要的时间进行监视，并且将其与一个已知基准进行比较，从而提供锅炉状况的一般指示。
Jordan等人在美国专利5,519,639中描述了一个用于对具有压力柱的压力圆筒的水位进行监视的系统。所述监视系统包括多个与压力柱通信的电极，以便接触所述柱内部的水和蒸汽。其中每一个电极都具有自己的位置，并且产生一个对应于有水存在的第一输出，以及一个对应于存在蒸汽的第二输出。鉴别器可操作地连接到电极，它具有一个模数转换器，用于接收各个电极的输出并且将这些输出转换成一个数字信号。所述数字信号表示的是每个电极那里的水的导电性。中央处理器与鉴别器相连，以便激励所述鉴别器并且接收数字信号，从而确定导电率与各个电极在所述柱中位置之间的倾斜降级。此外，所述中央处理器还确定了所述柱中的水与蒸汽之间的一个拐点。而LCD显示器则用于指示哪些电极处于水中以及哪些电极处于蒸汽中。
Richards等人在美国专利5,565,851中描述了一种水位感测系统，尤其是对蒸汽生成锅炉中的水位进行感测。所述感测系统包括一个与锅炉相连的容器，以便包含实际上与锅炉处于相同程度的水和蒸汽，此外所述系统还包含了很多投入到容器之中的垂直分离电极，以及用于测量各个电极所感测的电阻抗的电路。所述电路转而可以复用到每个电极，其中所述电路包含了一个第一比较器，用于在感测阻抗介于水的标准最大阻抗与水上方的蒸汽的标准最小阻抗之间的时候产生一个输出，而这个输出则经过解复用来驱动一个纵向显示器，以便显示蒸汽/水的分界面的水位。所述电路还包括一个第二比较器，用于在感测阻抗处于水的标准最小阻抗以下的时候产生另一个输出，其中所述另一个输出表示的是多种不同的故障状态并且还会驱动一个故障指示器。
最后，Richards在美国专利6,118,190中描述了一个电路，该电路对测量控制设备的安全运行进行控制，以便通过测量电极绝缘尖头与处于基准电压或是接地的表面之间的间隙中的阻抗来检测水是否存在。所述设备也可以配置成在有水存在但不应该存在水的时候提供一个警报，反之亦然。该电路包括比较器、相位检测器以及用于驱动继电器的三重冗余驱动电路。其中一个比较器可确保在作为标准状态而结合水进行操作的时候，诸如过度污染等问题所引发的电极错误会使系统输出指示一个异常状况。另一个比较器则对水的状况和蒸汽状况进行判定。此外还有一个比较器则是确保在出现异常或故障状况的时候不产生输出。但如果感测器处于正常状况，那么接下来将只有一个输出。随后则显示使用了安全的三重冗余驱动电路来操作一个继电器，由此所述继电器的触点可以用于指示标准或异常/故障状况。
然而，现有技术并未描述这样一个系统，该系统包含一个双频感测信号，所述信号则扩展成没有直流电流的状况，此外可以在同一感测线路上使用所述信号来指示开路状况或短路状况，而所述系统则包含了锅炉水位测量以及故障指示器，其中所有这些都处于同一感测电路内部。
因此，本发明的一个目的是对开路和/或短路状态进行感测，以及单个系统的水汽比状况进行感测。本发明的另一个目的则是借助单个电路来提供一种感测开路和/或短路状态以及水汽比状况的方法。本发明还有一个目的则是借助一个电路来感测这种状况，其中向电极探针施加了一个净总和积分为零的信号，以便排除锅炉系统内部可能发生的水解现象。
发明概述本发明是通过提供一个双频信号发生器来解决现有技术的这些和其他需要的，其中所述双频信号发生器产生两个不具有相关DC分量的AC分量。这两个频率混合在一起并通过一个阻抗匹配电路发送，由此可以将系统的信号发生部分阻抗匹配于测得的锅炉用水阻抗。
然后则将阻抗匹配信号引向两条支线，其中指引一条支线经由多个电极探针而到达第一滤波器电路，并且指引另一条引线到达第二组滤波器。在组合中，滤波器传递这两个频率中较高或较低的一个频率，以便确定水位感测电路中的开路或短路状况以及汽过水(steamover water)状况。
通过结合附图
考察以下详细说明，本领域技术人员将会清楚了解本发明的这些和其他特征和优点。
附图简述附图仅仅描述的是一个本发明的典型的优选实施例，因此不应该将其视为是对本发明的范围加以限制，本发明也可以允许其他那些同样有效的实施例。
唯一的附图是用于单个电极的水位的本发明优选实施例的示意图。
优选实施例详述附图描述的是本发明的一个优选实施例，其中提供了一个电路故障检测系统10。从概念上讲，系统10是从一个周期信号发生器12开始的，其中所述信号发生器优选为一个双频正弦波发生器。信号发生器12提供了两个并非复用而是相互重叠的频率。举例来说，这两个频率中较低的一个大约为20Hz，该频率用于测量在电极或探针14的特定水位那里是否存在水或蒸汽，而这两个频率中较高的一个大约为5KHz，该频率则用于检测电路故障。由于对于水尤其是经过锅炉用水化学处理的锅炉用水来说，它并不完全是电阻性的(resistive)，由此给出的则是一个电抗性(reactive)阻抗，因此在这里使用了较低的频率来检测水位。锅炉用水的电抗性阻抗将会在较高的频率上产生有错误的测量结果。而在这里选择的高频则是5KHz，以便提供一个易于生成和控制的频率，此外，由于所述频率离低频足够远，因此简单的滤波器也可以很容易地对其加以区分。此外，由于使用了这个频率来检测布线误差，因此，因为水的电抗所造成的任何相移都是没有意义的。
处于不带DC分量的相对较低AC电压的双频信号则提供到一个混频器16，所述混频器简单地将这两个信号重叠在一个单独导体18上。而重叠信号则被引导到一个导电率变动(ranging)阻抗电路20，从功能上讲，该电路是一个可以调整的电阻器。在这里将所述导电率变动阻抗电路20调整成与锅炉的水的阻抗相匹配，其中所述水的阻抗实际上是随化学性质而变化的。
在图中，将来自导电率变动阻抗电路20的两条线路分支之一标记为“探针”或线路22，另一条则标记为“感测”或线路“24”。如图所示，探针线路定义的是经过探针14之前的双频信号，感测线路定义的是经过探针之后的信号。探针线路22将混合信号发送到电极或探针14，如果在探针那里存在蒸汽，那么所述电极或探针14将会给出一个高阻抗，如果存在的是水，则给出一个低阻抗。感测线路24则从探针14继续连接到高通滤波器26，其中所述滤波器过滤低频(20Hz)分量。所述高频分量从滤波器26传递到一个正向整流积分器28，其中所述整流积分器在信号线路30上产生一个第一测量信号。如这里所使用的那样，术语“正向整流器”指的是一个阻塞周期性波形的负向部分并且通过正向部分的整流器。相反，“负向整流器”指的是一个阻塞这种波形的正向部分并且通过负向部分的整流器。
如先前所述，导电率变动阻抗电路还提供了一个探针线路22。所述探针线路22供应的是一个高通滤波器32，该滤波器与滤波器26相类似，它对低频分量进行过滤并且通过高频或是大小为5KHz的分量。而滤波器32则将高频分量馈送到一个负向整流积分器34，所述整流积分器在信号线路36上产生一个第二测量信号。信号线路30上的第一测量信号与信号线路36上的第二测量信号馈送到一个求和点38。如果这两个馈送到求和点38的测量信号相等，则提供一个表明在往返于电极的电路中没有开路的明确指示。
求和点供应的是一对并行比较器40与42。比较器40由一个窗口基准电压WVRef(+)施加偏压，而比较器42则由窗口基准电压WVRef(-)施加偏压。比较器40和42将其中一个输入馈送到一个“与”门44，以此作为在输出端46指示开路的输入之一。
现在返回到负向整流积分器34，信号线路36上的第二测量信号还馈送到一个比较器48。比较器48的另一个输入则是由一个基准电压SVRef提供的，除非在电极电路中出现了短路，否则所述基准电压与来自整流器34的预期电压电平相等。如果出现短路，那么比较器48向短路指示器50产生一个信号，其中根据正常操作下测得的低阻抗液体的阻抗测量结果而标称地将所述指示器设定在一个大小为10∶1的因数。此外，这个信号还由一个反相器52进行反向，然后则将其馈送到“与”门44的另一个输入端，以便用于开路指示。在短路情况下，导体36上的探针信号和导体30上的感测信号是相等的，但是有时这将会导致产生短路和开路输出。通过对短路信号50进行反向并且将其与来自窗口比较器40、42的开路信号进行逻辑“与”操作，可以消除这种不明确性。
大多数配电板都是基于这样一个概念来运作的，其中不发光的面板表示正常操作，或者红、黄和绿色的指示分别意味着立即关注，更强的观察以及正常的操作。为了减少针对操作员的指示器数目，本发明提供了一个“或”门54。如果在运算电路中检测到开路或短路，那么“OR”门将会产生一个信号，以便只在电器故障线路56向操作员指示存在一个超出规范(out of specification)情况状况的状况，以便方便他执行行动。
最终，除了高通滤波器32之外，探针电路22还供应了一个低通滤波器58。低通滤波器58从信号中过滤高频分量，并且通过向整流积分器60提供低频分量(20Hz)来产生一个水位指示信号。整流积分器60则将水位指示信号馈送到一个比较器62。源自电极的较高阻抗表示在电极那里存在蒸汽，而较低阻抗则表示水。比较器62是由基准PVRef进行偏压，并且在S/W输出端64提供了一个信号。这个输出的电压电平则确定是否为操作员点亮一个蒸汽指示器或水指示器。
在上文中已经对本发明的原理、优选实施例和工作模式进行了描述。然而在这里并未将本发明视为限制在所公开的特定形式之中，因为这些形式被视为是说明性而不是限制性的。此外，本领域技术人员可以进行多种变化和修改，而不会脱离本发明的精神。
权利要求
1.一种用于用于锅炉水位指示器的感测电路，其中所述指示器具有一个水位探针，所述电路则包括a.双频信号发生器；b.经由该探针而与信号发生器耦合的第一高通滤波器；c.与该信号发生器相耦合的第二高通滤波器；d.与第一高通滤波器相耦合，以便产生一个正的感测电平的正向整流器；e.与第二高通滤波器相耦合，以便产生一个负的感测电平的负向整流器；f.一个用于接收正和负的感测电平并且产生一个求和输出的求和点，其中所述求和点处相等的正的和负的感测电平表示在该感测电路中没有出现开路。
2.权利要求1的感测电路，还包括一个比较器，它由一个预定的短路电压进行偏压并且耦合到负向整流器，以便根据负的感测电平与短路电压之间的预定差值来产生一个短路指示。
3.权利要求1的感测电路，还包括一个锅炉化学性质比较器，它由一个预定的锅炉用水阻抗电压进行偏压并且耦合到负向整流器，以便根据负的感测电平与锅炉用水的阻抗电压之间的预定差值来产生超出规范的锅炉用水化学性质指示。
4.权利要求1的感测电路，还包括一个低通滤波器，它耦合到信号发生器，以便产生一个指示探针处的汽水比状况的信号。
5.权利要求1的感测电路，还包括一个将信号发生器耦合到第一和第二高通滤波器的混频器。
6.权利要求4的感测电路，还包括一个将信号发生器耦合到低通滤波器的混频器。
7.权利要求4的感测电路，还包括a.一个低通滤波器整流器，它接收表示汽水比状况的信号，并且产生一个表示汽水比状况的整流信号；以及b.一个汽过水比较器，它由一个汽水比电压基准进行偏压，以便根据指示汽水比状况的整流信号与汽过水电压基准之间的预定差值来产生一个汽水比指示。
8.权利要求1的感测电路，其中，所述信号发生器产生两个正弦波。
9.权利要求8的感测电路，还包括一个将这两个正弦波施加到一个导体的混频器。
10.权利要求1的感测电路，还包括一个耦合到求和点的窗口比较器，用于接收求和输出并且将求和输出与一个窗口基准电压相比较，由此根据求和输出与窗口基准电压之间的预定差值来产生一个开路信号指示。
11.权利要求1的感测电路，其中，所述信号发生器产生一个定义了净总和积分零信号电平的双频信号。
12.一种对锅炉的锅炉水位电路进行分析的方法，包括以下步骤a.产生一个具有高频成分和低频成分的双频信号；b.经由一个锅炉水位探针来传递双频信号，以便产生一个感测信号；c.从感测信号中过滤低频成分；d.从双频信号中过滤低频成分；以及e.分析经过滤的感测信号和双频信号，以便确定锅炉水位电路中是否存在开路状况。
13.权利要求12的方法，还包括步骤比较过滤后的双频信号和短路基准信号，以便确定锅炉水位电路中是否存在短路状况。
14.权利要求12的方法，还包括以下步骤a.从双频信号中过滤高频成分；以及b.将过滤后的双频信号与一个基准的汽过水基准相比较，以便确定锅炉中是否存在汽过水的状况。
15.权利要求12的方法，其中，高频成分和低频成分定义了一个净总和积分零信号电平。
全文摘要
一种锅炉水位系统中的故障检测电路，其中包括一个双频信号发生器，该信号发生器产生两个没有相关DC分量的AC分量。这两个频率经过混合并经由一个阻抗匹配电路发送，以便将系统信号生成部分的阻抗与测量中的锅炉用水的阻抗相匹配。然后则将阻抗匹配信号引导到两条支线，其中一个支线经由多个电极探针之一引导到一个第一滤波器电路，另一个支路则引导到一个第二滤波器组。在组合中，这些滤波器传递这两个频率中较高或较低的一个，以便确定水位感测电路中的开路或短路状况，以及汽水比状况。
文档编号G01F25/00GK1646886SQ03808358
公开日2005年7月27日 申请日期2003年1月10日 优先权日2002年2月19日
发明者G·G·桑德斯 申请人:泰科流控制公司