趙宇紅，趙學(xué)成

（1.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.巫水流域水利水電開發(fā)有限公司，湖南 邵陽 422500）

1 引言

在石油、化工、制藥、電力等行業(yè)，都離不開液位的控制。液位控制的成功與否，不僅對產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，而且對設(shè)備運(yùn)行的安全和環(huán)境污染等都有著不可忽視的作用。但是，上述行業(yè)的液位控制現(xiàn)場往往大多處于易燃、易爆、震動(dòng)、電磁干擾等惡劣環(huán)境，而光纖液位控制器是由光纖液位探頭和控制器組成的以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，探測被測量的變化的新型控制器。它以靈敏度高、不受電磁干擾、耐高壓、耐腐蝕、在易燃易爆環(huán)境下安全可靠等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于上述行業(yè)。但在光纖液位控制的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要具有一定邏輯功能的控制，通常的做法是將光纖液位控制部分做為采樣部分與PLC結(jié)合實(shí)現(xiàn)邏輯控制要求。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中控制環(huán)節(jié)增多，故障率増大，提高了控制成本，同時(shí)增加了對維護(hù)檢修人員的技術(shù)水平要求。通過對湖南某水電站漏油控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析研究，僅利用光纖液位控制器，就實(shí)現(xiàn)了液位的邏輯控制，降低了控制成本和故障率，減低了維護(hù)檢修人員的技術(shù)要求和減輕了維護(hù)檢修工作量，保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和安全，提高了生產(chǎn)效率。

2 光纖液位控制原理

當(dāng)入射光經(jīng)過傳感探頭反射時(shí)，反射光的光強(qiáng)根據(jù)光纖液位探頭周圍的物質(zhì)折射率的不同而發(fā)生變化。由光學(xué)理論得知，光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳輸時(shí)，有臨界角θC存在。當(dāng)入射角θ1<θC時(shí)，在介質(zhì)的交界面上既有光反射，也有光折射；當(dāng)θ1>θC時(shí)，則在交界面上會有全反射現(xiàn)象發(fā)生。反射光的能量與介質(zhì)的折射率有關(guān)。如果將待測液體作為光疏介質(zhì)，其濃度的變化將導(dǎo)致折射率的變化，從而會改變界面上光反射能量的大小［1］。由菲涅耳公式可知，當(dāng)光波入射到兩種媒質(zhì)的交界面時(shí)，振幅反射系數(shù)為：

式中：ρ⊥和 ρP分別為入射波的電場垂直于和平行于入射面時(shí)的振幅反射系數(shù)；n1和n2分別為兩種媒質(zhì)的折射率；θ1和θ2分別為媒質(zhì)n1和n2中的入射角和折射角。自然光入射到兩種媒質(zhì)交界面時(shí)的功率反射系數(shù)為:

可見，R與入射光的極化狀態(tài)，入射角θ1、折射角θ2及媒質(zhì)的折射率 n1和 n2有關(guān)［2-3］。

根據(jù)以上原理，實(shí)際中，用光纖制成如圖1所示的液位傳感探頭。光學(xué)LED發(fā)射一束紅外線到探頭底部，如探頭是干燥的，紅外線會在探頭圓錐形的底部被反射回來，而反射會被光纖液位探頭接收。當(dāng)探頭被浸濕時(shí)，紅外線在探頭底部不會發(fā)生反射，而是被折射出探頭，這樣光纖液位探頭就不能收到這束紅外線。

圖1 光纖傳感探頭工作原理示意圖

這樣，由于空氣的折射率比液體的小，因此當(dāng)探頭與液面接觸時(shí)，接收端的光強(qiáng)比空氣的光強(qiáng)小，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出電信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于在空氣中的信號強(qiáng)度。因此，光纖中的光經(jīng)過液位傳感探頭，輸出強(qiáng)度變化的光信號，在控制器中，經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換成電流信號，再通過放大電路和集成電路將電流變成電壓信號進(jìn)行放大處理，最后，控制器通過兩個(gè)輸出繼電器輸出控制。

3 電站原漏油控制系統(tǒng)

電站原漏油控制系統(tǒng)組成與作用如圖2所示。

圖2 電站原漏油控制系統(tǒng)組成與作用

漏油箱：臨時(shí)收集儲存運(yùn)行設(shè)備的滲漏油，當(dāng)滲漏油達(dá)到一定量時(shí)，由漏油泵抽到廢油罐中過濾再利用。

光纖液位探頭A：測定液位是否到達(dá)漏油箱液位上限位置。若達(dá)到，輸出一個(gè)1-3V（可調(diào)）的直流電壓到光纖液位控制器的輸入端。即輸出一個(gè)高電平。

光纖液位探頭B：測定液位是否到達(dá)漏油箱液位下限位置。若達(dá)到，輸出一個(gè)1-3V（可調(diào)）的直流電壓到光纖液位控制器的輸入端。即輸出一個(gè)高電平。

光纖液位控制器：提供光纖液位探頭A、B的工作電源，并接收其輸入電信號，提供輸出。

PLC（可編程控制器）：接收光纖液位控制器的輸入，完成表1所示的邏輯控制。

表1 PLC邏輯控制功能表

即實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能如下：

①液位（油位）達(dá)到漏油箱液位上限位置，光纖液位探頭A、B均輸出為1（高電平），PLC輸出控制漏油泵起動(dòng)抽油；

②漏油箱油位下降，降到漏油箱液位上限位置以下時(shí)，光纖液位探頭A輸出為0（低電平），但光纖液位探頭B仍輸出為1（高電平），此時(shí)，漏油泵保持原狀態(tài)（抽油狀態(tài)）；

③漏油箱油位降到液位下限位置以下時(shí)，光纖液位探頭A、B均輸出為0（低電平），PLC輸出控制漏油泵停止抽油；

④漏油箱油位隨設(shè)備漏油的增加又逐步上升，當(dāng)漏油升到液位下限位置以上時(shí)，光纖液位探頭B輸出為1（高電平），光纖液位探頭A仍輸出為0（低電平），漏油泵保持原狀態(tài)（停止抽油狀態(tài)），直到光纖液位探頭A輸出也為1（高電平）時(shí)，PLC又輸出控制漏油泵起動(dòng)抽油；實(shí)現(xiàn)整個(gè)的邏輯控制功能。

4 實(shí)際應(yīng)用分析及實(shí)驗(yàn)改造

4.1 實(shí)際應(yīng)用分析

某水電站原漏油泵控制系統(tǒng)安裝使用近五年，發(fā)生了幾次漏油泵未自動(dòng)抽油，造成溢油污染、浪費(fèi)等。故障原因分析：①PLC故障；②控制環(huán)節(jié)多、接線多，現(xiàn)場工作環(huán)境震動(dòng)大，接線端子易松動(dòng)等；但另一方面，卻發(fā)現(xiàn)光纖液位探頭到光纖液位控制器輸出部分未出現(xiàn)過任何故障，運(yùn)行可靠。根據(jù)光纖液位控制器的說明書說明，光纖液位控制器輸出由兩個(gè)繼電器C1、C2輸出，每個(gè)繼電器有一對常開和常閉觸點(diǎn)。即：兩個(gè)繼電器C1、C2共有常開觸點(diǎn)兩個(gè)NO1、NO2，常閉觸點(diǎn)兩個(gè)NC1、NC2。觸點(diǎn)額定電流5A。因此，考慮解決的措施是：利用光纖液位控制器的輸出繼電器直接進(jìn)行邏輯控制漏油泵的起動(dòng)，同時(shí)，并利用光纖液位控制器的輸出繼電器輸出一個(gè)開關(guān)量給LCU完成通信功能，減少PLC等控制環(huán)節(jié)，達(dá)到減少故障環(huán)節(jié)，降低故障發(fā)生率的目的。

按照實(shí)際應(yīng)用分析和設(shè)想，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)，得到光纖液位控制器的繼電器輸出隨光纖液位探頭A、B的變化規(guī)律如表2、3所示。

表2 光電探測器A、B的變化規(guī)律一

表3 光電探測器A、B的變化規(guī)律二

比較上述邏輯控制表1和表2、3，看出表2中的輸出繼電器C1和表3中的輸出繼電器C2的輸出符合前述邏輯控制表的邏輯控制要求。

4.2 實(shí)際效果

2004年12月按照實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)結(jié)果進(jìn)行了某水電站機(jī)組漏油控制系統(tǒng)的改造，效果十分理想。運(yùn)行至今，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)一次故障，避免了溢油污染、浪費(fèi)事件，同時(shí)又降低了控制成本，減輕了維護(hù)檢修人員的技術(shù)要求和工作量。提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

通過上述實(shí)際應(yīng)用分析，液位的簡單邏輯控制可以直接采用光纖液位控制器實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用環(huán)境惡劣的石油、化工、制藥、電力等行業(yè)，直接采用光纖液位控制器在保證了可靠性和穩(wěn)定性的同時(shí),既減少了控制環(huán)節(jié)，又降低了控制成本和對維護(hù)檢修人員的技術(shù)要求,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

［1］李炳炎.光纖液面?zhèn)鞲衅鞯难芯浚跩］.濟(jì)南:山東電子,1995，（3）.

［2］劉志麟,張范軍.連續(xù)型光纖液位傳感器:中國,ZL 2004 20059735.3［P］.2005-05-18.

［3］CULSHAW B.Optical fiber sensor technologies:opportunities and-perhaps-pitfalls［J］.Journal of Light-wave Technology,2004,22（1）:39-50.