光纤液位控制器实现液位逻辑控制的应用探讨

赵宇红，赵学成

（1.南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001；2.巫水流域水利水电开发有限公司，湖南 邵阳 422500）

1 引言

在石油、化工、制药、电力等行业，都离不开液位的控制。液位控制的成功与否，不仅对产品质量有很大的影响，而且对设备运行的安全和环境污染等都有着不可忽视的作用。但是，上述行业的液位控制现场往往大多处于易燃、易爆、震动、电磁干扰等恶劣环境，而光纤液位控制器是由光纤液位探头和控制器组成的以光波为载体，光纤为媒质，探测被测量的变化的新型控制器。它以灵敏度高、不受电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、在易燃易爆环境下安全可靠等优点广泛应用于上述行业。但在光纤液位控制的实际应用中，经常需要具有一定逻辑功能的控制，通常的做法是将光纤液位控制部分做为采样部分与PLC结合实现逻辑控制要求。这样，在实际应用中控制环节增多，故障率増大，提高了控制成本，同时增加了对维护检修人员的技术水平要求。通过对湖南某水电站漏油控制系统的应用分析研究，仅利用光纤液位控制器，就实现了液位的逻辑控制，降低了控制成本和故障率，减低了维护检修人员的技术要求和减轻了维护检修工作量，保证了设备的稳定运行和安全，提高了生产效率。

2 光纤液位控制原理

当入射光经过传感探头反射时，反射光的光强根据光纤液位探头周围的物质折射率的不同而发生变化。由光学理论得知，光由光密介质向光疏介质传输时，有临界角θC存在。当入射角θ1<θC时，在介质的交界面上既有光反射，也有光折射；当θ1>θC时，则在交界面上会有全反射现象发生。反射光的能量与介质的折射率有关。如果将待测液体作为光疏介质，其浓度的变化将导致折射率的变化，从而会改变界面上光反射能量的大小［1］。由菲涅耳公式可知，当光波入射到两种媒质的交界面时，振幅反射系数为：

式中：ρ⊥和 ρP分别为入射波的电场垂直于和平行于入射面时的振幅反射系数；n1和n2分别为两种媒质的折射率；θ1和θ2分别为媒质n1和n2中的入射角和折射角。自然光入射到两种媒质交界面时的功率反射系数为:

可见，R与入射光的极化状态，入射角θ1、折射角θ2及媒质的折射率 n1和 n2有关［2-3］。

根据以上原理，实际中，用光纤制成如图1所示的液位传感探头。光学LED发射一束红外线到探头底部，如探头是干燥的，红外线会在探头圆锥形的底部被反射回来，而反射会被光纤液位探头接收。当探头被浸湿时，红外线在探头底部不会发生反射，而是被折射出探头，这样光纤液位探头就不能收到这束红外线。

图1 光纤传感探头工作原理示意图

这样，由于空气的折射率比液体的小，因此当探头与液面接触时，接收端的光强比空气的光强小，经光电转换后输出电信号的强度远小于在空气中的信号强度。因此，光纤中的光经过液位传感探头，输出强度变化的光信号，在控制器中，经光电二极管转换成电流信号，再通过放大电路和集成电路将电流变成电压信号进行放大处理，最后，控制器通过两个输出继电器输出控制。

3 电站原漏油控制系统

电站原漏油控制系统组成与作用如图2所示。

图2 电站原漏油控制系统组成与作用

漏油箱：临时收集储存运行设备的渗漏油，当渗漏油达到一定量时，由漏油泵抽到废油罐中过滤再利用。

光纤液位探头A：测定液位是否到达漏油箱液位上限位置。若达到，输出一个1-3V（可调）的直流电压到光纤液位控制器的输入端。即输出一个高电平。

光纤液位探头B：测定液位是否到达漏油箱液位下限位置。若达到，输出一个1-3V（可调）的直流电压到光纤液位控制器的输入端。即输出一个高电平。

光纤液位控制器：提供光纤液位探头A、B的工作电源，并接收其输入电信号，提供输出。

PLC（可编程控制器）：接收光纤液位控制器的输入，完成表1所示的逻辑控制。

表1 PLC逻辑控制功能表

即实现逻辑控制功能如下：

①液位（油位）达到漏油箱液位上限位置，光纤液位探头A、B均输出为1（高电平），PLC输出控制漏油泵起动抽油；

②漏油箱油位下降，降到漏油箱液位上限位置以下时，光纤液位探头A输出为0（低电平），但光纤液位探头B仍输出为1（高电平），此时，漏油泵保持原状态（抽油状态）；

③漏油箱油位降到液位下限位置以下时，光纤液位探头A、B均输出为0（低电平），PLC输出控制漏油泵停止抽油；

④漏油箱油位随设备漏油的增加又逐步上升，当漏油升到液位下限位置以上时，光纤液位探头B输出为1（高电平），光纤液位探头A仍输出为0（低电平），漏油泵保持原状态（停止抽油状态），直到光纤液位探头A输出也为1（高电平）时，PLC又输出控制漏油泵起动抽油；实现整个的逻辑控制功能。

4 实际应用分析及实验改造

4.1 实际应用分析

某水电站原漏油泵控制系统安装使用近五年，发生了几次漏油泵未自动抽油，造成溢油污染、浪费等。故障原因分析：①PLC故障；②控制环节多、接线多，现场工作环境震动大，接线端子易松动等；但另一方面，却发现光纤液位探头到光纤液位控制器输出部分未出现过任何故障，运行可靠。根据光纤液位控制器的说明书说明，光纤液位控制器输出由两个继电器C1、C2输出，每个继电器有一对常开和常闭触点。即：两个继电器C1、C2共有常开触点两个NO1、NO2，常闭触点两个NC1、NC2。触点额定电流5A。因此，考虑解决的措施是：利用光纤液位控制器的输出继电器直接进行逻辑控制漏油泵的起动，同时，并利用光纤液位控制器的输出继电器输出一个开关量给LCU完成通信功能，减少PLC等控制环节，达到减少故障环节，降低故障发生率的目的。

按照实际应用分析和设想，通过实验调节，得到光纤液位控制器的继电器输出随光纤液位探头A、B的变化规律如表2、3所示。

表2 光电探测器A、B的变化规律一

表3 光电探测器A、B的变化规律二

比较上述逻辑控制表1和表2、3，看出表2中的输出继电器C1和表3中的输出继电器C2的输出符合前述逻辑控制表的逻辑控制要求。

4.2 实际效果

2004年12月按照实验调节结果进行了某水电站机组漏油控制系统的改造，效果十分理想。运行至今，控制系统稳定可靠，未出现一次故障，避免了溢油污染、浪费事件，同时又降低了控制成本，减轻了维护检修人员的技术要求和工作量。提高了生产效率。

5 结束语

通过上述实际应用分析，液位的简单逻辑控制可以直接采用光纤液位控制器实现。在应用环境恶劣的石油、化工、制药、电力等行业，直接采用光纤液位控制器在保证了可靠性和稳定性的同时,既减少了控制环节，又降低了控制成本和对维护检修人员的技术要求,具有广泛的应用价值。

［1］李炳炎.光纤液面传感器的研究［J］.济南:山东电子,1995，（3）.

［2］刘志麟,张范军.连续型光纤液位传感器:中国,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.