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，而且對設備運行的安全和環(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、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)點廣泛應用于上述行業(yè)。但在光纖液位控制的實際應用中，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)合實現(xiàn)邏輯控制要求。這樣，在實際應用中控制環(huán)節(jié)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(shù)水平要求。通過對湖南某水電站漏油控制系統(tǒng)的應用分析研究，僅利用光纖液位控制器，就實現(xiàn)了液位的邏輯控制，降低了控制成本和故障率，減低了維護檢修人員的技術(shù)要求和減輕了維護檢修工作量，保證了設備的穩(wěn)定運行和安全，提高了生產(chǎn)效率。 

 

2 光纖液位控制原理

       當入射光經(jīng)過傳感探頭反射時，反射光的光強根據(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。由光學理論得知，光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳輸時，有臨界角θC存在。當入射角 θ1 <θC時，在介質(zhì)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(xiàn)象發(fā)生。反射光的能量與介質(zhì)的折射率有關。如果將待測液體作為光疏介質(zhì)，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(zhì)的交界面時，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［2-3］。

 

       根據(jù)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(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。當探頭被浸濕時，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。

       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(jīng)光電轉(zhuǎn)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(jīng)過液位傳感探頭，輸出強度變化的光信號，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行放大處理，zui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(tǒng)

電站原漏油控制系統(tǒng)組成與作用如圖 2 所示。

        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(diào)）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(diào)）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。

（注：X 表示輸出保持原輸出狀態(tài)不變）

 

即實現(xiàn)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(tài)（抽油狀態(tài)）；

        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(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，PLC 又輸出控制漏油泵起動抽油；實現(xiàn)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(tǒng)安裝使用近五年，發(fā)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(huán)節(jié)多、接線多，現(xiàn)場工作環(huán)境震動大，接線端子易松動等；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(huán)節(jié)，達到減少故障環(huán)節(jié)，降低故障發(fā)生率的目的。

 

       按照實際應用分析和設想，通過實驗調(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。

       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(diào)節(jié)結(jié)果進行了某水電站機組漏油控制系統(tǒng)的改造，效果十分理想。運行至今，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、浪費事件，同時又降低了控制成本，減輕了維護檢修人員的技術(shù)要求和工作量。提高了生產(chǎn)效率。