光纖液位控制器實現液位邏輯控制的應用探討

趙宇紅，趙學成

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

1 引言

在石油、化工、制藥、電力等行業，都離不開液位的控制。液位控制的成功與否，不僅對產品質量有很大的影響，而且對設備運行的安全和環境污染等都有著不可忽視的作用。但是，上述行業的液位控制現場往往大多處于易燃、易爆、震動、電磁干擾等惡劣環境，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，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、在易燃易爆環境下安全可靠等優點廣泛應用于上述行業。但在光纖液位控制的實際應用中，經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結合實現邏輯控制要求。這樣，在實際應用中控制環節增多，故障率増大，提高了控制成本，同時增加了對維護檢修人員的技術水平要求。通過對湖南某水電站漏油控制系統的應用分析研究，僅利用光纖液位控制器，就實現了液位的邏輯控制，降低了控制成本和故障率，減低了維護檢修人員的技術要求和減輕了維護檢修工作量，保證了設備的穩定運行和安全，提高了生產效率。

2 光纖液位控制原理

當入射光經過傳感探頭反射時，反射光的光強根據光纖液位探頭周圍的物質折射率的不同而發生變化。由光學理論得知，光由光密介質向光疏介質傳輸時，有臨界角θC存在。當入射角θ1<θC時，在介質的交界面上既有光反射，也有光折射；當θ1>θC時，則在交界面上會有全反射現象發生。反射光的能量與介質的折射率有關。如果將待測液體作為光疏介質，其濃度的變化將導致折射率的變化，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，當光波入射到兩種媒質的交界面時，振幅反射系數為：

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的振幅反射系數；n1和n2分別為兩種媒質的折射率；θ1和θ2分別為媒質n1和n2中的入射角和折射角。自然光入射到兩種媒質交界面時的功率反射系數為:

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

根據以上原理，實際中，用光纖制成如圖1所示的液位傳感探頭。光學LED發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。當探頭被浸濕時，紅外線在探頭底部不會發生反射，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，因此當探頭與液面接觸時，接收端的光強比空氣的光強小，經光電轉換后輸出電信號的強度遠小于在空氣中的信號強度。因此，光纖中的光經過液位傳感探頭，輸出強度變化的光信號，在控制器中，經光電二極管轉換成電流信號，再通過放大電路和集成電路將電流變成電壓信號進行放大處理，最后，控制器通過兩個輸出繼電器輸出控制。

3 電站原漏油控制系統

電站原漏油控制系統組成與作用如圖2所示。

圖2 電站原漏油控制系統組成與作用

漏油箱：臨時收集儲存運行設備的滲漏油，當滲漏油達到一定量時，由漏油泵抽到廢油罐中過濾再利用。

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

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

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

即實現邏輯控制功能如下：

①液位（油位）達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抽油；

②漏油箱油位下降，降到漏油箱液位上限位置以下時，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，漏油泵保持原狀態（抽油狀態）；

③漏油箱油位降到液位下限位置以下時，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漏油箱油位隨設備漏油的增加又逐步上升，當漏油升到液位下限位置以上時，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（停止抽油狀態），直到光纖液位探頭A輸出也為1（高電平）時，PLC又輸出控制漏油泵起動抽油；實現整個的邏輯控制功能。

4 實際應用分析及實驗改造

4.1 實際應用分析

某水電站原漏油泵控制系統安裝使用近五年，發生了幾次漏油泵未自動抽油，造成溢油污染、浪費等。故障原因分析：①PLC故障；②控制環節多、接線多，現場工作環境震動大，接線端子易松動等；但另一方面，卻發現光纖液位探頭到光纖液位控制器輸出部分未出現過任何故障，運行可靠。根據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繼電器C1、C2輸出，每個繼電器有一對常開和常閉觸點。即：兩個繼電器C1、C2共有常開觸點兩個NO1、NO2，常閉觸點兩個NC1、NC2。觸點額定電流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行邏輯控制漏油泵的起動，同時，并利用光纖液位控制器的輸出繼電器輸出一個開關量給LCU完成通信功能，減少PLC等控制環節，達到減少故障環節，降低故障發生率的目的。

按照實際應用分析和設想，通過實驗調節，得到光纖液位控制器的繼電器輸出隨光纖液位探頭A、B的變化規律如表2、3所示。

表2 光電探測器A、B的變化規律一

表3 光電探測器A、B的變化規律二

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 實際效果

2004年12月按照實驗調節結果進行了某水電站機組漏油控制系統的改造，效果十分理想。運行至今，控制系統穩定可靠，未出現一次故障，避免了溢油污染、浪費事件，同時又降低了控制成本，減輕了維護檢修人員的技術要求和工作量。提高了生產效率。

5 結束語

通過上述實際應用分析，液位的簡單邏輯控制可以直接采用光纖液位控制器實現。在應用環境惡劣的石油、化工、制藥、電力等行業，直接采用光纖液位控制器在保證了可靠性和穩定性的同時,既減少了控制環節，又降低了控制成本和對維護檢修人員的技術要求,具有廣泛的應用價值。

［1］李炳炎.光纖液面傳感器的研究［J］.濟南:山東電子,1995，（3）.

［2］劉志麟,張范軍.連續型光纖液位傳感器: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.