卧式圆形液氯贮槽液位和重量的计量

梁锦铿 邹琼英

摘要：对卧式圆形液氯贮槽的计量进行改造，通过随液位变化的铁芯，外面嵌套电压互感线圈，检测出与液位对应的AC电压信号，经过AC-DC线性整流电路和4～20 mA恒流电路，4～20 mA信号进入可编程序调节器，两次调用十段折线函数，分别实现液位指示和液体重量计量。

关键词：可编程调节器;线性整流电路;恒流电路

0    引言

在厂区4个卧式圆形液氯贮槽的计量测量中，磁翻板的磁浮子卡顿或卡死。改造前考察了一些测量仪表，如微波物位测量仪表对液氯的压力容器，由于气相介质介电常数低、挥发且存在大量液滴，会吸收和影响电磁波反射，对液位测量带来干扰，造成测量值不稳定;电容式、压力式等仪表，需大幅改造槽体或开孔口径大，而对于已制造完成的危险容器不容许另增加或扩张贮槽孔，否则会对生产安全造成隐患，如果造成液氯贮槽氯气泄漏，后果不堪设想（一个贮槽内约有10 t液氯）。

考察总结后，本文提出通过制作测量互感线圈、AC-DC线性整流电路和4～20 mA恒流电路，输出4～20 mA信号到可编程调节器，使用可编程调节器内置的十段折线函数FX0，补偿得到修正后的贮槽液氯液位值，赋值给仪表面板光柱显示。同时液位值变量赋值给十段折线函数FX1，进行液位-重量的修正换算，大幅提高计量精度至接近0.5%，并赋值给面板LED数码屏显示罐内液氯重量，满足了后工序灌装的需求。

1    互感线圈的测量原理

测量原理：卧式圆形液氯贮槽如图1所示，直筒长3 600 mm，直筒半径700 mm，两边封头圆弧半径425 mm，内有一个焊有铁棒的不锈钢空心椭圆形浮球，长250 mm、高100 mm，椭圆形能够有效增加浮力，减小低液位时的误差。铁棒直径6 mm，长1 400 mm，因为贮槽内无氧气，所以对铁棒的腐蚀过程较慢。在没有液位时铁棒刚好伸进无缝钢管30 mm，铁棒随液位高低上下移动。无缝钢管外套进绕有互感线圈的塑料管，初级线圈供电AC10 V。因为钢管导磁性差（但实际在没有液位时也有一点感应交流电压），所以铁棒在管中随液氯低液位上升到高液位时，线圈次级输出感应交流电压信号为AC0.6～8.0 V。

2    AC-DC线性整流电路

互感线圈次级输出的是交流电压，需经过AC-DC线性整流电路进行整流，变成直流电压。以其中一个槽为例，测量线圈的输出信号是AC0.6～8.0 V。经过R7、R8分压得到AC0.3～4.0 V，利用TL062型双运算放大器中的TL062a与D2、D3构成线性整流电路，最后经过TL062b输出DC0.3～4.0 V的信号，如图2所示。

由图2可知，电路中R2、R3是运放TL062a的负反馈电阻，C2用于过滤高频信号干扰。在信号的正半周C3充电，使D3导通，进行整流。在信号的负半周D3截止，D2导通，为C3提供放电回路。C3、C4是充、放电电容，兼作隔直电容。D3、R4、R5、VR1（59%阻值）构成分压器，调整VR1可以改变输出电压，实现平均值-有效值的转换。R6与C5组成平滑滤波器。TL062b是电压跟随器，增益是1，起到阻抗变换器的作用。

3    4～20 mA恒流电路

电路如图3所示，采用OP07和LM358双运放。OP07作用是放大整流后的电压信号。信号DC0.3～4.0 V通过输入电阻R1、R2进入OP07的反相输入端，R3、VR3（量程电位器，62%阻值）组成反馈电阻。

反相端输入信号的放大增益：

同相端输入信号的放大增益：

由式（1）可知，-（R3+VR3）/（R1+R2）=-0.918 3是反相输入放大系数。R4、VR2（零位电位器，69%阻值）和R5接-5 V组成分压电路，得到-300 mV，并输进同相端输入端。由式（2）可知，（R3+VR3）/（R1+R2）+1=1.918 3是同相输入放大系数。

OP07在反向输入信号是DC0.3 V时，输出是：

0.3×（-0.918 3）+（-0.300）×1.918 3≈-0.850 9 V

OP07在反向输入信号是DC4.0 V时，输出是：

4.0×（-0.918 3）+（-0.300）×1.918 3≈-4.248 6 V

由式（1）可知，-R7/R6=-1是LM358a的反向輸入放大系数，因此起反相作用。把OP07输出的-0.850 9 V至-4.248 6 V变成+0.850 9 V至+4.248 6 V。

由图3可知，LM358b与BG1 3DG27C、BG2 3DG27C组成恒流电路，采用复合管是为了提高放大倍数和降低基极电流，使其可以忽略不计。恒流是基于运算放大器的同相端和反相端有“虚短路”的特性，控制着R12两端的电压，就能输出恒定的电流。

R12的一端电位是12 V，这个电位是稳定的，所以同相端VT=12/（R11+R10）×R10=9.677 V;基于“虚短路”的特性，VT=VF=9.677 V。

LM358a输出+0.850 9 V时，电路计算如下：

（1）R12两端的电压：

（2）R12两端的电流：

VR12/R12=0.215 27/0.051≈4.221 mA

（3）输出端的电流：

Iout=4.221-[（9.677-0.850 9）/R8]≈4.045 mA

同理：LM358a输出+4.248 6 V时，输出Iout=19.995 mA。

4    可编程调节器的设定和程序

4.1    使用折线函数修正液位高度与互感线圈输出ACV的非线性

铁芯在液位上升的初始段，进入线圈的深度较短，磁通量不强，线圈次级感应电压偏低，所以贮槽的液位高度对应实测电压不是线性关系。实测AC电压值的初始值是AC0.6 V，计算等分AC电压值在10%液位时对应值是AC1.34 V，但实测是AC0.94 V，如表1所示。

由表1中的实测电压值与液位值得出曲线在10%处是凹陷形状的，如图4所示。

从表1中的数据得知：因为高度为0.14 m时对应的可编程内部值为0.1，等分电压为1.34 V，所以折线函数设定值=等分电压值/实测电压值×可编程内部值×100。例：（1.34/0.94）×0.1×100≈14.255 32，所以FA01取值14.3。图5中，曲线10%处的凸起补偿了感应电压的非线性，因此，通过折线函数得到线性的液位高度。

4.2    使用折线函数模拟液位高度-液体重量的曲线

使用可编程调节器的折线函数模拟液位高度-重量的曲线，必须确定测量值的10个折点。卧式圆柱体的体积的计算公式为：

式中，V为体积;L为贮槽圆筒长度3 600 mm;R为贮槽圆筒半径700 mm;r为两边封头圆弧半径425 mm;H为液位高度。

根据式（3）计算出体积V，然后V×液氯比重1.524 4=液体重量。重量对应高度是非线性的，相关数据如表2所示。算式：折线函数值=液体重量/

9.777 66×最高液位对应内部值×100;例：0.476 904 119/

9.777 66×1×100=4.877 487 241≈4.9。

通过折线函数把线性的液位高度变为随折线函数变化的曲线。计算出模拟重量变化的折线函数曲线，如图6所示。因为可编程调节器内部值都是0～1，所以只需将显示标尺参数BACL（量程下限）设为0.0，BACH（量程上限）设为97.7，就能显示0～9.77 t的液体重量。

4.3    可编程序调节器的程序編写

如表3所示，在可编程序调节器内编写控制程序，通过调用基本控制功能模块、寄存器等赋值给折线函数功能模块、显示功能模块，实现卧式圆形液氯贮槽液位与重量数值显示。

5    结语

经过以上方法改造，卧式圆形液氯贮槽的计量精度有明显提高，达到1.0级至0.5级的精度水平，安全等级提高，保障了安全生产。两回路的可编程序调节器，可以同时监控两个液氯贮槽，LED光柱显示液位，LED数码屏显示重量，监控数值一目了然。同时提供液位与重量数值的4～20 mA输出，有力地支持了调度系统或MES系统的信息采集，让销售与生产计划更加紧密地衔接，也为后续工序的灌装工段计算产能提供了有力的数据，有利于合理安排灌装工位与灌装数量。

[参考文献]

[1] 沙占友.数字万用表业余制作与检修指南[M].北京：人民邮电出版社，1992.

[2] 肇庆市智能仪表厂.CS910系列两回路可编程序调节器使用说明书[Z].

[3] 吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京：化工工业出版社，1997.

收稿日期：2020-04-20

作者简介：梁锦铿（1975—），男，广东广州人，工程师，从事计算机与自动化控制技术管理工作。