引言

圖1所示為5對(duì)電流引線罐內(nèi)部示意圖。每根電流引線分為上下兩段,上段正常運(yùn)行溫度為78K,用液氮冷卻,下段采用4K超臨界氦流冷卻。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段,給電流引線罐中的液氮槽充注液氮。待氮槽液面上漲至設(shè)定值后,進(jìn)液閥切換至液位自動(dòng)控制回路。閥門將根據(jù)實(shí)際液位進(jìn)行調(diào)整,維持液位在20cm附近(允許上下誤差10mm）,確保電流引線上端得到充分冷卻,杜絕因冷卻不足導(dǎo)致失超。

電流引線罐內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的測量環(huán)境,處于超低溫并伴有強(qiáng)磁場,對(duì)液位傳感器提出了較大挑戰(zhàn)。在2017年之前,使用的是機(jī)械浮子式與壓差式并行測量系統(tǒng),但得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大,浮子式傳感器使用壽命也較短,現(xiàn)需改進(jìn)這種測量方法。如何精準(zhǔn)地測量液氮液位,成為目前電流引線罐急需解決的難題。

1真空激光反射法方案

激光傳感器因具有測量精度高、測量速度快、方向性好、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注,但將激光應(yīng)用在液氮液位測量上,目前較為少見。主要的技術(shù)難點(diǎn)在于液氮是無色透明液體,激光束很難得到高強(qiáng)度的反射光:并且液氮的低溫性容易造成激光發(fā)射端鏡片結(jié)霜,影響測量精度。本方案將機(jī)械浮子式與激光傳感器結(jié)合在一起,讓激光束豎直打在浮子上,從而得到一定強(qiáng)度的反射光。

激光測距的原理很簡單,利用了光的反射現(xiàn)象,先計(jì)算出發(fā)射端到反射端之間的距離n,再測量傳感器本身到容器底部的距離n1,最后通過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路得到容器底部到水面的距離,即液位h:

圖2所示為整個(gè)系統(tǒng)安裝的示意圖,激光物位計(jì)安裝在罐體上方。該傳感器的精度高達(dá)±1mm,測程為0.1～80m。浮子采用的是耐腐蝕性、不透光強(qiáng)的不銹鋼材料。浮子在豎直方向受導(dǎo)管的限制,隨液氮液位的升降而上下移動(dòng),從而將液位信息通過激光傳輸出去。同時(shí),為避免液氮在罐體中的波動(dòng)造成液位瞬間變化,應(yīng)在導(dǎo)管四周開有孔洞,以減小液氮波動(dòng)幅度,提高測量準(zhǔn)確度。真空罩的作用是防止透光的K9玻璃出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,由真空泵抽成真空或填充氮?dú)?保證激光能順利打在液面浮子上。真空罩與電流引線罐體采用快接法蘭連接,方便裝拆。

2液氮液位測量實(shí)驗(yàn)

兩種液位傳感器的輸出信號(hào)均為4～20mA的電流信號(hào),整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。

西門子PLC,7-200系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,主要功能如下:產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,驅(qū)動(dòng)傳感器的正常工作:將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),通過計(jì)算獲得液位示數(shù):輸出信號(hào)至LSE顯示。

3電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用的PLC型號(hào)是只能識(shí)別電壓信號(hào)的CPU224XP,因此需串接一個(gè)500Q的電阻,轉(zhuǎn)化為2～10V電壓信號(hào),對(duì)應(yīng)液位0～600mm。根據(jù)224XP的輸入特性,10V單極性輸入的分辨率為2.5mV。則數(shù)字量的分辨率為:

,7-200系列PLC經(jīng)A/E轉(zhuǎn)換后的數(shù)字是12位,利用一個(gè)字來存放轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。對(duì)于單極性輸入來說,把數(shù)據(jù)保存在字的第3位與第12位當(dāng)中,這就相當(dāng)于把數(shù)據(jù)乘8。因?yàn)榈腿粸?,相當(dāng)于數(shù)據(jù)左移3次,這樣轉(zhuǎn)換后的模擬量單極性為6400～32000,實(shí)際的轉(zhuǎn)換精度為12位0～4095,為了計(jì)算方便,取實(shí)際分辨率為4000,乘8后得到的數(shù)值為32000。綜上,得到以mm為單位的實(shí)際液位示數(shù)為:

式中,AIW為模擬量輸入通道地址。

圖4所示為西門子PLC部分程序,其中AIW是模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量的輸入端,通過運(yùn)算轉(zhuǎn)換為以mm為單位的液位示數(shù),保存在寄存器LE4中。

4標(biāo)定系統(tǒng)組成

液氮是低溫液體,在常溫下具有揮發(fā)性。為保證標(biāo)定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,應(yīng)該選用一款貯存型的液氮杜瓦瓶(表1）,減少氮蒸發(fā)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

圖5所示為整個(gè)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成,將射頻導(dǎo)納液位計(jì)和激光液位計(jì)安裝在同一個(gè)杜瓦瓶,排除不同環(huán)境因素的干擾。首先將液氮注入杜瓦瓶中,用液氮標(biāo)尺測量此時(shí)杜瓦瓶內(nèi)液氮的高度,結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)大小用最小二乘法擬合液位計(jì)靈敏度。再通過閥門的開閉,增加杜瓦瓶中液氮容量。閥門開啟時(shí)間固定為10S,將每組標(biāo)尺示數(shù)作為實(shí)驗(yàn)真值。每個(gè)采集點(diǎn)讀取10次,去掉其中的最大值和最小值后取平均值,以消除誤差。

圖5標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是,7-200型PLC,選用的是CPU224XP。因?yàn)樵撔吞?hào)的PLC自帶2個(gè)模擬量輸入接口和1個(gè)輸出接口,無需添加模擬量擴(kuò)展模塊。模擬信號(hào)變化幅度在2～10V之間,因此選用224XP進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,它是一款高速、低功耗12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,采用24V直流電源供電,可以接收的模擬量輸入范圍為±10V。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理程序主要包括系統(tǒng)標(biāo)定和液位顯示兩個(gè)部分:系統(tǒng)標(biāo)定是確定數(shù)字量與實(shí)際液位值的關(guān)系式:液位顯示實(shí)現(xiàn)位移值的輸出,包括采集系統(tǒng)中的上位機(jī)顯示。

6結(jié)語

本文主要針對(duì)電流引線罐中液氮液位的實(shí)時(shí)測量設(shè)計(jì)了兩種方案,分別是用射頻導(dǎo)納法測量和用激光反射法測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在量程為600mm以下時(shí),運(yùn)用激光傳感器進(jìn)行液位測量精度更高,滿足電流引線罐的實(shí)時(shí)液位監(jiān)控精度要求。

本液位檢測系統(tǒng)適用于低溫、強(qiáng)磁場環(huán)境下的液位測量,較傳統(tǒng)的機(jī)械浮子式測量系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)勢。其中,信號(hào)處理使用西門子PLC,有助于增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力,提高檢測精度。整個(gè)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,精度較高,對(duì)低溫液體的液位測量具有廣泛的適用性。