臥式圓形液氯貯槽液位和重量的計量

梁錦鏗 鄒瓊英

摘要：對臥式圓形液氯貯槽的計量進行改造，通過隨液位變化的鐵芯，外面嵌套電壓互感線圈，檢測出與液位對應的AC電壓信號，經過AC-DC線性整流電路和4～20 mA恒流電路，4～20 mA信號進入可編程序調節器，兩次調用十段折線函數，分別實現液位指示和液體重量計量。

關鍵詞：可編程調節器;線性整流電路;恒流電路

0? ? 引言

在廠區4個臥式圓形液氯貯槽的計量測量中，磁翻板的磁浮子卡頓或卡死。改造前考察了一些測量儀表，如微波物位測量儀表對液氯的壓力容器，由于氣相介質介電常數低、揮發且存在大量液滴，會吸收和影響電磁波反射，對液位測量帶來干擾，造成測量值不穩定;電容式、壓力式等儀表，需大幅改造槽體或開孔口徑大，而對于已制造完成的危險容器不容許另增加或擴張貯槽孔，否則會對生產安全造成隱患，如果造成液氯貯槽氯氣泄漏，后果不堪設想（一個貯槽內約有10 t液氯）。

考察總結后，本文提出通過制作測量互感線圈、AC-DC線性整流電路和4～20 mA恒流電路，輸出4～20 mA信號到可編程調節器，使用可編程調節器內置的十段折線函數FX0，補償得到修正后的貯槽液氯液位值，賦值給儀表面板光柱顯示。同時液位值變量賦值給十段折線函數FX1，進行液位-重量的修正換算，大幅提高計量精度至接近0.5%，并賦值給面板LED數碼屏顯示罐內液氯重量，滿足了后工序灌裝的需求。

1? ? 互感線圈的測量原理

測量原理：臥式圓形液氯貯槽如圖1所示，直筒長3 600 mm，直筒半徑700 mm，兩邊封頭圓弧半徑425 mm，內有一個焊有鐵棒的不銹鋼空心橢圓形浮球，長250 mm、高100 mm，橢圓形能夠有效增加浮力，減小低液位時的誤差。鐵棒直徑6 mm，長1 400 mm，因為貯槽內無氧氣，所以對鐵棒的腐蝕過程較慢。在沒有液位時鐵棒剛好伸進無縫鋼管30 mm，鐵棒隨液位高低上下移動。無縫鋼管外套進繞有互感線圈的塑料管，初級線圈供電AC10 V。因為鋼管導磁性差（但實際在沒有液位時也有一點感應交流電壓），所以鐵棒在管中隨液氯低液位上升到高液位時，線圈次級輸出感應交流電壓信號為AC0.6～8.0 V。

2? ? AC-DC線性整流電路

互感線圈次級輸出的是交流電壓，需經過AC-DC線性整流電路進行整流，變成直流電壓。以其中一個槽為例，測量線圈的輸出信號是AC0.6～8.0 V。經過R7、R8分壓得到AC0.3～4.0 V，利用TL062型雙運算放大器中的TL062a與D2、D3構成線性整流電路，最后經過TL062b輸出DC0.3～4.0 V的信號，如圖2所示。

由圖2可知，電路中R2、R3是運放TL062a的負反饋電阻，C2用于過濾高頻信號干擾。在信號的正半周C3充電，使D3導通，進行整流。在信號的負半周D3截止，D2導通，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）構成分壓器，調整VR1可以改變輸出電壓，實現平均值-有效值的轉換。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雙運放。OP07作用是放大整流后的電壓信號。信號DC0.3～4.0 V通過輸入電阻R1、R2進入OP07的反相輸入端，R3、VR3（量程電位器，62%阻值）組成反饋電阻。

反相端輸入信號的放大增益：

同相端輸入信號的放大增益：

由式（1）可知，-（R3+VR3）/（R1+R2）=-0.918 3是反相輸入放大系數。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。

OP07在反向輸入信號是DC0.3 V時，輸出是：

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

OP07在反向輸入信號是DC4.0 V時，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，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，采用復合管是為了提高放大倍數和降低基極電流，使其可以忽略不計。恒流是基于運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，這個電位是穩定的，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，電路計算如下：

（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，輸出Iout=19.995 mA。

4? ? 可編程調節器的設定和程序

4.1? ? 使用折線函數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，進入線圈的深度較短，磁通量不強，線圈次級感應電壓偏低，所以貯槽的液位高度對應實測電壓不是線性關系。實測AC電壓值的初始值是AC0.6 V，計算等分AC電壓值在10%液位時對應值是AC1.34 V，但實測是AC0.94 V，如表1所示。

由表1中的實測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中的數據得知：因為高度為0.14 m時對應的可編程內部值為0.1，等分電壓為1.34 V，所以折線函數設定值=等分電壓值/實測電壓值×可編程內部值×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%處的凸起補償了感應電壓的非線性，因此，通過折線函數得到線性的液位高度。

4.2? ? 使用折線函數模擬液位高度-液體重量的曲線

使用可編程調節器的折線函數模擬液位高度-重量的曲線，必須確定測量值的10個折點。臥式圓柱體的體積的計算公式為：

式中，V為體積;L為貯槽圓筒長度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。

根據式（3）計算出體積V，然后V×液氯比重1.524 4=液體重量。重量對應高度是非線性的，相關數據如表2所示。算式：折線函數值=液體重量/

9.777 66×最高液位對應內部值×100;例：0.476 904 119/

9.777 66×1×100=4.877 487 241≈4.9。

通過折線函數把線性的液位高度變為隨折線函數變化的曲線。計算出模擬重量變化的折線函數曲線，如圖6所示。因為可編程調節器內部值都是0～1，所以只需將顯示標尺參數BACL（量程下限）設為0.0，BACH（量程上限）設為97.7，就能顯示0～9.77 t的液體重量。

4.3? ? 可編程序調節器的程序編寫

如表3所示，在可編程序調節器內編寫控制程序，通過調用基本控制功能模塊、寄存器等賦值給折線函數功能模塊、顯示功能模塊，實現臥式圓形液氯貯槽液位與重量數值顯示。

5? ? 結語

經過以上方法改造，臥式圓形液氯貯槽的計量精度有明顯提高，達到1.0級至0.5級的精度水平，安全等級提高，保障了安全生產。兩回路的可編程序調節器，可以同時監控兩個液氯貯槽，LED光柱顯示液位，LED數碼屏顯示重量，監控數值一目了然。同時提供液位與重量數值的4～20 mA輸出，有力地支持了調度系統或MES系統的信息采集，讓銷售與生產計劃更加緊密地銜接，也為后續工序的灌裝工段計算產能提供了有力的數據，有利于合理安排灌裝工位與灌裝數量。

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收稿日期：2020-04-20

作者簡介：梁錦鏗（1975—），男，廣東廣州人，工程師，從事計算機與自動化控制技術管理工作。