电极式锅炉水位控制报警器

电极式锅炉水位控制报警器

2004-6-3

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电极式锅炉水位控制报警器，是利用水和蒸汽导电率不同的原理，采用接触式电极作传感器，晶体管放大器作控制器进行工作的自动控制装置。一、结构电极式锅炉水位控制报警器一般都由两部分构成，一部分是传感器，另一部分是控制器。传感器的外形见图6—24a。其外形是一个纺锤形简体，由钢管和法兰盘焊接而成。内部装有电极棒。其结构如图6—24b所示，电极棒用10mm不锈钢棒材制造，共有4根，它们代表4种水位：1号为高水位；2号为正常水位上限；3号为正常水位下限；4号为低水位。这4根极棒一般垂直安装在两只无缝钢管简体内，也可将电极棒置于1只简体内。绝缘套管和垫圈用绝缘材料聚四氟乙烯或超纯氧化铝瓷制成，当这些电极棒接触和离开水面时，可向控制电路输出不同的信号，以检测锅炉水位的变化。

图6—24电极式传感器(a)外形；(b)内部结构

二、工作原理电极式锅炉水位自控报警器的工作原理，可分为信号传感放大控制原理和各功能电路动作原理两部分，下面分别介绍。(一)信号传感放大控制原理由于锅炉锅筒中的水和蒸汽的密度以及所含导电物质的数量不同，它们的电导率存在着极大的差异，炉水的电导率一般要比饱和蒸汽的电导率大数万倍以上，即使是饱和蒸汽的凝结水其电导率也要比饱和蒸汽的电导率大几千倍。电极式水位传感器就是根据汽和水的电导率不同来检测水位的。根据电导率的差异，可用晶体管放大器来检测。为了分析方便，首先介绍一下晶体管—继电器开关电路。半导体三极管是一个有3个电极的放大控制元件，人们常称它为晶体管。它的3个电极被分别称为：e——发射极，b——基板，c——集电极。当它的3个电极加上合适的工作电压时，晶体管可以有3种不同的工作状态，即截止、放大、饱和状态。晶体管的特点是具有电流放大作用，当它的基极输入一电流Ib时，集电极则会出现一放大的电流Ic，Ib和Ic的关系是Ic=βIb，β称为晶体管的电流放大倍数，当晶体管的基极电流Ib=0时，集电极电流Ic=0，这时我们称晶体管处于截止工作状态。当I不为0。并在一定范围内变化时，集电极电流随其成比例变化，即Ic=βIb，这时我们称晶体管处于放大工作状态。当Ib增大到一定值时，晶体管的集电极电流Ic将等于外电路电源和负载所能提供的最大电流I负载时，即Ic=βIb=I负载，这时我们称晶体管处于饱和工作状态，因在此之后，虽然Ib增加，但Ic受到了负载的限制，不再增大。我们常把主要工作在饱和或截止状态的晶体管工作电路称为开关电路，有时也简称为放大电路。晶体管在饱和状态时，c、e极间呈现低电阻，相当于开关闭合，在截止状态时，c、e极间呈现高电阻，相当于开关断开，晶体管的这种特性被称为晶体管的开关特性。利用这种特性，以直流继电器为晶体管的负载，把可靠地吸、放继电器为工作目的的晶体管放大器称为晶体管—继电器开关电路。有时为了提高晶体管的电流放大倍数，电路中晶体管采用了复合管的结构，由两只晶体管组成。在简易分析中，对晶体管饱和导通时的内阻当作零，截止时的漏阻当作无限大，而对开关速度，以及温度对电路的影响忽略不计。下面结合传感、放大控制电路进行具体分析；图6—26所示为单电极传感放大控制电路，它可以等效为图6—25所示的晶体管继电器开关电路。

图6—25单电极传感放大控制电路图6—26单电极传感放大控制等效电路

由传感筒、电极棒和水所组成的回路，在电路中可等效为一个开关SA与电阻R的串连回路，电阻R是炉水和传感筒的等效电阻，其值一般小于40kΩ。当电极棒未接触炉水时，相当于开关SA断开，几乎无电流从A点到B点流入晶体管V1的基极，这时晶体管V1、V2处于截止状态，集电极无电流流过，继电器KA不会吸合。当电极棒接触炉水时，相当于开关SA接通，电源E(+12V)从A点经电阻R、R1流经B点，进入V1、V2的基极，开关电路开始工作。由于晶体管的电流放大作用，流入集电极的电流Ic受流入基极电流Ib的控制，即流过集电极的电流为流过基极电流的β倍。(一般晶体管的β值约在20～150之间)，这样若流过V1管的基极电流为Ib1，则流过集电极的电流Ic1=β1Ib1，则流经V2管的基极电流Ib2=βIb1，集电极电流Ic2=β2Ib2=β2β1Ib1，适当选择β2β1Ib1的值。就可以使Ic2，大于继电器的吸合工作电流，使继电器KA吸合，输出开关信号达到传感控制目的。由上述分析可以知道：晶体管的基极若无信号电流流入，晶体管也无集电极电流，这时管子处于截止状态。串联在集电极回路上的继电器不会吸合，输出一种状态。若晶体管的基极有足够的信号电流流入，那么它的集电极所输出电流将比负载所需的电流大时，晶体管就处于饱和状态，继电器就会稳定吸合，输出另一种状态，实现控制功能。晶体管继电器开关电路，只有在晶体管处于深度饱和和完全截止的工作状态时，才能增强抗干扰能力、稳定工作。在选择电路参数的时候，既不能使灵敏度过低，在电路参数发生变化时不能工作；也不能使灵敏度过高，在有干扰信号时也会动作，而发出错误信号。另外，在复合管的联接方法上，也可以采用图6—27所示的晶体管V3、V4的复合方法，即将两管的集电极分别联接，第一管接电阻负载，第二管接继电器，这样的复合管工作原理仍然相同，但工作时的效果更好。除此之外，在晶体管从导通转换到截止状态的瞬间，继电器线圈绕组中的感应电动势将会很大，为使晶体管不被这个感应电动势损坏，在继电器线圈上并联有一只为感应电流提供释放回路的续流二极管V3。(二)各种功能电路动作原理1．水位控制电路水位控制电路由2号正常水位上限电极、3号正常水位下限电极和两组晶体管一继电器开关电路所组成。其电路结构如图6—27所示。

图6—27水位控制电路

(1)水泵启动控制电路：当锅炉水位低于2号电极时，无信号电流加到V3、V4晶体管和KA2继电器开关电路中，KA2处于无电流释放状态。当水位继续下降，水面离开3号电极时，V5、V6晶体管和KA3继电器开关电路也失去了信号电流，继电器KA3无电流释放，KA3—2常闭触点闭合，通过KA2—2和KA1—2常闭触点接通继电器KA6的电源，KA6通电吸合，KA6—2常开触点闭合自锁，KA6—3常开触点闭合接通水泵电机控制电源，水泵工作向锅炉加水。(2)水泵停止控制电路：当锅炉水位上升，水面接触到3号电极时，十12V电源通过传感筒外壳、炉水和3号电极加到晶体管V5的基极，经放大后又加到晶体管V6基极，V6输出一开关电流，使继电器KA3通电吸合，KA3的常闭触点KA3—2断开，这时因有继电器KA6的自锁触点KA6—2与之并联，故KA3不对继电器KA6的吸合状态产生影响，水位继续上升，当水面接触到2号电极时，同3号电极接触水面一样，继电器KA2将通电吸合工作，常闭触点KA2—2切断继电器KA6电源，KA6释放，常开触点KA6—2解除自锁，常开触点KA6—3切断水泵电机控制电源，水泵停止上水。这样，当水位下降到离开3号电极时，水泵电机启动，开始向锅炉加水。当水位上升到2号电极时，水泵停止向锅炉加水，将锅炉水位变化限制在3号电极和2号电极端部之间，实现了水位的自动控制。(3)辅助控制措施：从图6—27中可以看出，在水位控制继电器KA6的电源回路中，串联有高水位继电器KA1的常闭触点KA1-2，在起动回路中并接有低水位继电器KA4的常闭触点KA4-3和手动控制开关SA2。因而可以实现在高水位时的二次停泵和低水位时的二次启动水泵，以及手动对水泵启停的控制。另外，继电器KA6的KA6—1的触点在未吸合时，常闭触点接通指示灯HL10，指示水泵停止状态，在吸合时，常开触点接通指示灯HL9指示水泵运行状态。2．高、低水位报警及消音电路高、低水位报警电路由1号高水位电极和4号低水位电极及其晶体管—继电器开关电路所组成。其电路原理如图6—28所示。(1)高水位报警电路：当水位上升，水面接触到1号电极时，由晶体管V1、V2和继电器KA1组成的开关电路动作，继电器KA1吸合、KA1—2常闭触点通过消音继电器KA7的常闭触点KA7—1接通报警音响电路电源，发出音响信号、实现高水位报警。(2)当水位下降脱离4号电极时，由晶体管V7、V3和继电器KA4组成的开关电路失电，KA4释放，其常闭触点KA4—2闭合，接通音响电路发出音响信号，实现低水位报警。(3)消音电路，当高低水位报警信号发出之后，操作人员已经引起注意，这样可以按动消音按钮实现消音。当有高、低水位报警信号时，若按动消音按钮SB2，电源通过消音继电器KA7的线圈、按钮SB2和KA1—2常开触点(高位报警)或KA4—2常闭触点(低位报警)形成回路，KA7得电吸合，KA7—1常开触点闭合自锁，常闭触点切断音响电路电源，音响停止，实现消音功能。当高水位或低水位报警信号消失时，KA4—2断开(低水位信号消失)，或KA1—2常开点断开(高水位信号消失)，切断消音继电器KA7电源，消音继电器释放，自锁解除，为再次报警作好准备。

图6—28高、低水位报警及消音电路

3．低水位联锁保护电路低水位联锁保护电路如图6—29所示，当低水位报警信号发出之后，继电器KA4的KA4—1常闭触点闭合，接通了低水位联锁保护电路电源。

图6—29低水位联锁保护电路

该电路和前述的晶体管—继电器开关电路的区别是V9的基极接有一个电容器C3，由于电容器在接通电源时，电压从0开始上升，电容越大，充电回路的电阻值越大，电压上升就越慢，从而起到延时作用。电容C3与晶体管V9、V10继电器KA5组成一个延时开关电路。该电路电容值为2200μF，电阻值为133kΩ，大约经过35秒左右时间，电容上的电压可达到晶体管继电器开关电路导通工作的程度。故该电路延时时间为35秒，即当低水位继电器动作35秒后，锅炉仍处于低水位状态。有可能引起缺水事故时，继电器KA5吸合工作，其常闭触点KA5—1断开，发出低水位联锁保护信号。停止燃烧设备的工作，实现保护性紧急停炉，达到安全目的。三、OMRON水位报警器控制器许多进口锅炉的电极式水位报警器的控制器采用日本的OMROM水位报警器控制器，该控制器的原理与上述介绍的相同。它的优点是控制器的尺寸很小(50mm×38mm×84mm)，变压器与接触器全部在同一盒内，外面为11个接线点，安装方便，稳定性好。61F—GP—N型控制器控制原理如图6—30。

图6—3061F-GP-N型水位报警器控制器原理图

用于给水控制时传感器电极为三个，E1为正常水位上限，E2为正常水位下限，E3为接地电极。当锅炉内水位正常时，10—1触点闭合，6—7触点断开。当水位至E1点时，E1与E3导通，通过端点5输入给控制电路信号，控制电路使接触器动作，6—7触点闭合，10—1触点断开，使继电器A失电，停止水泵电机运转。当水位至E2点时，E2与E3断开，由于6—7点闭合，通过端点6、7、5输入给控制电路信号，控制电路使接触器动作，6—7触点断开，10—1闭合，使继电器A得电，水泵电机运转，向锅炉内加水。用低水位报警与联锁保护时传感器电极为二个或一个，二个电极时，其中一个为接地电极。该控制器与启动的继电器串联，低水位时，控制器断开启动电路及控制水泵的继电器，具体电路在后面的典型电路分析中还要作详细分析。四、电极式锅炉水位控制报警器的使用(一)安装传感器安装在炉体与水位表之间，简体下端应加接泄水管。安装好后应检查一下各电极与壳体间的绝缘电阻是否良好。其方法是：用摇表或万用表测量，当电极离开水面时，其电阻值不得小于1MΩ。如小于此值，一定要找出原因，接线时要认清传感器上的电极长短和编号。控制电路用8脚插头与传感器电极联接，8脚插头接线时，1，2，3，4脚分别接到传感器的对应电极，七脚接传感器外壳。从传感器电极罩壳保护孔引出的一段导线，最好采用耐高温的聚氯乙烯绝缘尼龙护套线。如果用普通塑料铜芯线，则应加玻璃纤维套管。进出口和易遭外伤之处应用软管加以保护。控制器中给水泵电机开、停控制线路的接线需加接开关，以实现“手动”和“自动”控制的选择。当开关置于“自动”位置时，可实现水位的自动控制。当开关置于“手动”位置时，虽失去水泵自控作用，但仍保留水位显示和高、低水位报警功能。(二)使用报警器进行工作时，必须进行试验检查。(1)高水位报警检查：手动使锅炉水位上升，直到高水位，这时，控制器应发出高水位报警声信号，按一下消音按钮，报警声应停止。这时停止上水。(2)正常水位控制检查：将水位控制置“自动”位置，缓慢打开装有2号、3号电极的水位控制传感筒下面的泄水阀排水，当水位降至正常水位下限时，水泵应能启动。然后缓慢关闭泄水阀门，停止放水，水位逐渐升高，至正常水位上限时，水泵应停止运行。(3)低水位报警检查：缓慢打开装有1号、3号电极的水位报警传感简下面的泄水阀排水，当水位降至低水位时，控制器应有低水位报警声信号发出，按消音按钮后，同样能消音。(4)联锁保护功能检查：将联锁保护开关接入，当进行第三步试验时，在低水位报警信号发出1分钟内，燃烧机应能停止运行。经过上述检验之后，证明装置无故障即可投入使用。一般情况下应将水位控制选择开关置“自动”位置，联锁保护也应接人。使用3～6个月后，应将传感电极取出，用粗砂布擦去上面的积垢，然后再继续使用。五、传感器的故障检查电极式传感器在电极未接触水面时，绝缘电阻应大于1MΩ，接触水面时应小于60kΩ，若达不到此要求，绝缘电阻过小时，应重点检查电极的绝缘垫是否损坏。当接触水面电阻过大时，应重点检查接线及电极棒表面是否结垢太多，用三用表检查即可发现问题。