臥式圓形液氯貯槽液位和重量的計(jì)量

梁錦鏗 鄒瓊英

摘要：對(duì)臥式圓形液氯貯槽的計(jì)量進(jìn)行改造，通過隨液位變化的鐵芯，外面嵌套電壓互感線圈，檢測(cè)出與液位對(duì)應(yīng)的AC電壓信號(hào)，經(jīng)過AC-DC線性整流電路和4～20 mA恒流電路，4～20 mA信號(hào)進(jìn)入可編程序調(diào)節(jié)器，兩次調(diào)用十段折線函數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)液位指示和液體重量計(jì)量。

關(guān)鍵詞：可編程調(diào)節(jié)器;線性整流電路;恒流電路

0? ? 引言

在廠區(qū)4個(gè)臥式圓形液氯貯槽的計(jì)量測(cè)量中，磁翻板的磁浮子卡頓或卡死。改造前考察了一些測(cè)量?jī)x表，如微波物位測(cè)量?jī)x表對(duì)液氯的壓力容器，由于氣相介質(zhì)介電常數(shù)低、揮發(fā)且存在大量液滴，會(huì)吸收和影響電磁波反射，對(duì)液位測(cè)量帶來(lái)干擾，造成測(cè)量值不穩(wěn)定;電容式、壓力式等儀表，需大幅改造槽體或開孔口徑大，而對(duì)于已制造完成的危險(xiǎn)容器不容許另增加或擴(kuò)張貯槽孔，否則會(huì)對(duì)生產(chǎn)安全造成隱患，如果造成液氯貯槽氯氣泄漏，后果不堪設(shè)想（一個(gè)貯槽內(nèi)約有10 t液氯）。

考察總結(jié)后，本文提出通過制作測(cè)量互感線圈、AC-DC線性整流電路和4～20 mA恒流電路，輸出4～20 mA信號(hào)到可編程調(diào)節(jié)器，使用可編程調(diào)節(jié)器內(nèi)置的十段折線函數(shù)FX0，補(bǔ)償?shù)玫叫拚蟮馁A槽液氯液位值，賦值給儀表面板光柱顯示。同時(shí)液位值變量賦值給十段折線函數(shù)FX1，進(jìn)行液位-重量的修正換算，大幅提高計(jì)量精度至接近0.5%，并賦值給面板LED數(shù)碼屏顯示罐內(nèi)液氯重量，滿足了后工序灌裝的需求。

1? ? 互感線圈的測(cè)量原理

測(cè)量原理：臥式圓形液氯貯槽如圖1所示，直筒長(zhǎng)3 600 mm，直筒半徑700 mm，兩邊封頭圓弧半徑425 mm，內(nèi)有一個(gè)焊有鐵棒的不銹鋼空心橢圓形浮球，長(zhǎng)250 mm、高100 mm，橢圓形能夠有效增加浮力，減小低液位時(shí)的誤差。鐵棒直徑6 mm，長(zhǎng)1 400 mm，因?yàn)橘A槽內(nèi)無(wú)氧氣，所以對(duì)鐵棒的腐蝕過程較慢。在沒有液位時(shí)鐵棒剛好伸進(jìn)無(wú)縫鋼管30 mm，鐵棒隨液位高低上下移動(dòng)。無(wú)縫鋼管外套進(jìn)繞有互感線圈的塑料管，初級(jí)線圈供電AC10 V。因?yàn)殇摴軐?dǎo)磁性差（但實(shí)際在沒有液位時(shí)也有一點(diǎn)感應(yīng)交流電壓），所以鐵棒在管中隨液氯低液位上升到高液位時(shí)，線圈次級(jí)輸出感應(yīng)交流電壓信號(hào)為AC0.6～8.0 V。

2? ? AC-DC線性整流電路

互感線圈次級(jí)輸出的是交流電壓，需經(jīng)過AC-DC線性整流電路進(jìn)行整流，變成直流電壓。以其中一個(gè)槽為例，測(cè)量線圈的輸出信號(hào)是AC0.6～8.0 V。經(jīng)過R7、R8分壓得到AC0.3～4.0 V，利用TL062型雙運(yùn)算放大器中的TL062a與D2、D3構(gòu)成線性整流電路，最后經(jīng)過TL062b輸出DC0.3～4.0 V的信號(hào)，如圖2所示。

由圖2可知，電路中R2、R3是運(yùn)放TL062a的負(fù)反饋電阻，C2用于過濾高頻信號(hào)干擾。在信號(hào)的正半周C3充電，使D3導(dǎo)通，進(jìn)行整流。在信號(hào)的負(fù)半周D3截止，D2導(dǎo)通，為C3提供放電回路。C3、C4是充、放電電容，兼作隔直電容。D3、R4、R5、VR1（59%阻值）構(gòu)成分壓器，調(diào)整VR1可以改變輸出電壓，實(shí)現(xiàn)平均值-有效值的轉(zhuǎn)換。R6與C5組成平滑濾波器。TL062b是電壓跟隨器，增益是1，起到阻抗變換器的作用。

3? ? 4～20 mA恒流電路

電路如圖3所示，采用OP07和LM358雙運(yùn)放。OP07作用是放大整流后的電壓信號(hào)。信號(hào)DC0.3～4.0 V通過輸入電阻R1、R2進(jìn)入OP07的反相輸入端，R3、VR3（量程電位器，62%阻值）組成反饋電阻。

反相端輸入信號(hào)的放大增益：

同相端輸入信號(hào)的放大增益：

由式（1）可知，-（R3+VR3）/（R1+R2）=-0.918 3是反相輸入放大系數(shù)。R4、VR2（零位電位器，69%阻值）和R5接-5 V組成分壓電路，得到-300 mV，并輸進(jìn)同相端輸入端。由式（2）可知，（R3+VR3）/（R1+R2）+1=1.918 3是同相輸入放大系數(shù)。

OP07在反向輸入信號(hào)是DC0.3 V時(shí)，輸出是：

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

OP07在反向輸入信號(hào)是DC4.0 V時(shí)，輸出是：

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

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

由圖3可知，LM358b與BG1 3DG27C、BG2 3DG27C組成恒流電路，采用復(fù)合管是為了提高放大倍數(shù)和降低基極電流，使其可以忽略不計(jì)。恒流是基于運(yùn)算放大器的同相端和反相端有“虛短路”的特性，控制著R12兩端的電壓，就能輸出恒定的電流。

R12的一端電位是12 V，這個(gè)電位是穩(wěn)定的，所以同相端VT=12/（R11+R10）×R10=9.677 V;基于“虛短路”的特性，VT=VF=9.677 V。

LM358a輸出+0.850 9 V時(shí)，電路計(jì)算如下：

（1）R12兩端的電壓：

（2）R12兩端的電流：

VR12/R12=0.215 27/0.051≈4.221 mA

（3）輸出端的電流：

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

同理：LM358a輸出+4.248 6 V時(shí)，輸出Iout=19.995 mA。

4? ? 可編程調(diào)節(jié)器的設(shè)定和程序

4.1? ? 使用折線函數(shù)修正液位高度與互感線圈輸出ACV的非線性

鐵芯在液位上升的初始段，進(jìn)入線圈的深度較短，磁通量不強(qiáng)，線圈次級(jí)感應(yīng)電壓偏低，所以貯槽的液位高度對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)電壓不是線性關(guān)系。實(shí)測(cè)AC電壓值的初始值是AC0.6 V，計(jì)算等分AC電壓值在10%液位時(shí)對(duì)應(yīng)值是AC1.34 V，但實(shí)測(cè)是AC0.94 V，如表1所示。

由表1中的實(shí)測(cè)電壓值與液位值得出曲線在10%處是凹陷形狀的，如圖4所示。

從表1中的數(shù)據(jù)得知：因?yàn)楦叨葹?.14 m時(shí)對(duì)應(yīng)的可編程內(nèi)部值為0.1，等分電壓為1.34 V，所以折線函數(shù)設(shè)定值=等分電壓值/實(shí)測(cè)電壓值×可編程內(nèi)部值×100。例：（1.34/0.94）×0.1×100≈14.255 32，所以FA01取值14.3。圖5中，曲線10%處的凸起補(bǔ)償了感應(yīng)電壓的非線性，因此，通過折線函數(shù)得到線性的液位高度。

4.2? ? 使用折線函數(shù)模擬液位高度-液體重量的曲線

使用可編程調(diào)節(jié)器的折線函數(shù)模擬液位高度-重量的曲線，必須確定測(cè)量值的10個(gè)折點(diǎn)。臥式圓柱體的體積的計(jì)算公式為：

式中，V為體積;L為貯槽圓筒長(zhǎng)度3 600 mm;R為貯槽圓筒半徑700 mm;r為兩邊封頭圓弧半徑425 mm;H為液位高度。

根據(jù)式（3）計(jì)算出體積V，然后V×液氯比重1.524 4=液體重量。重量對(duì)應(yīng)高度是非線性的，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。算式：折線函數(shù)值=液體重量/

9.777 66×最高液位對(duì)應(yīng)內(nèi)部值×100;例：0.476 904 119/

9.777 66×1×100=4.877 487 241≈4.9。

通過折線函數(shù)把線性的液位高度變?yōu)殡S折線函數(shù)變化的曲線。計(jì)算出模擬重量變化的折線函數(shù)曲線，如圖6所示。因?yàn)榭删幊陶{(diào)節(jié)器內(nèi)部值都是0～1，所以只需將顯示標(biāo)尺參數(shù)BACL（量程下限）設(shè)為0.0，BACH（量程上限）設(shè)為97.7，就能顯示0～9.77 t的液體重量。

4.3? ? 可編程序調(diào)節(jié)器的程序編寫

如表3所示，在可編程序調(diào)節(jié)器內(nèi)編寫控制程序，通過調(diào)用基本控制功能模塊、寄存器等賦值給折線函數(shù)功能模塊、顯示功能模塊，實(shí)現(xiàn)臥式圓形液氯貯槽液位與重量數(shù)值顯示。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過以上方法改造，臥式圓形液氯貯槽的計(jì)量精度有明顯提高，達(dá)到1.0級(jí)至0.5級(jí)的精度水平，安全等級(jí)提高，保障了安全生產(chǎn)。兩回路的可編程序調(diào)節(jié)器，可以同時(shí)監(jiān)控兩個(gè)液氯貯槽，LED光柱顯示液位，LED數(shù)碼屏顯示重量，監(jiān)控?cái)?shù)值一目了然。同時(shí)提供液位與重量數(shù)值的4～20 mA輸出，有力地支持了調(diào)度系統(tǒng)或MES系統(tǒng)的信息采集，讓銷售與生產(chǎn)計(jì)劃更加緊密地銜接，也為后續(xù)工序的灌裝工段計(jì)算產(chǎn)能提供了有力的數(shù)據(jù)，有利于合理安排灌裝工位與灌裝數(shù)量。

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收稿日期：2020-04-20

作者簡(jiǎn)介：梁錦鏗（1975—），男，廣東廣州人，工程師，從事計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化控制技術(shù)管理工作。