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浮球液位計等液位保護儀表在電鍍設施安全方面的應用
發(fā)表時間：2018-10-10 ??點擊次數(shù)：871? 技術支持：1560-1403-222
本文概述：
在所有工業(yè)生產(chǎn)領域的液位控制過程中，會經(jīng)常性地應用到諸如浮球液位計等液位測量與控制儀表來對生產(chǎn)過程中液位進行監(jiān)測與控制。電鍍行業(yè)同樣如此，電鍍行業(yè)涉及到使用大量的有毒和電鍍液體，對于液位的控制要求更高，目前，液位保護技術在電鍍設備上應用種類較多，機械式和電氣式，接觸式和非接觸式。從可靠性和性價比來考慮，目前多數(shù)使用浮球液位計和電極液位計，精度要求高時使用超聲波和紅外液位計。分析液位保護技術，液位保護原理及應用。本文主要針對于浮球液位計等液位計為大家作介紹。
電鍍工藝中電鍍槽體的槽液量對產(chǎn)品加工工藝有直接的影響，槽液的量及濃度在使用中會減少和降低，因此需對液體進行檢測，根據(jù)精度的不同可使用模擬量檢測方式和開關量檢測方式。電鍍槽中存在實時自動添加系統(tǒng)功能時，需要對槽液儲存量進行精確測量，需配置模擬量傳感器進行檢測，比如紅外、超聲波或浮球位置傳感器；對槽液濃度要求不高時，可采用開關量檢測，主要是報警提示或保護，浮球式或電極式液位開關。
液位保護技術是通過檢測元器件對槽內(nèi)液體的液面進行感知傳輸給控制元器件，對液面進行狀態(tài)報警或控制，保證設備設施的安全使用，有工藝要求和安全要求兩方面。電鍍槽內(nèi)使用液位保護技術，一方面防止液體過少對產(chǎn)品加工質量影響，一方面防止加熱元器件裸露干燒而發(fā)生損壞或安全事故。液位保護元器件主要有浮球式、電極式、超聲波、紅外線等，材料有塑料、不銹鋼、鈦合金等多種，主要根據(jù)使用的工況及保護的功能不同而不同。
1.1 浮球液位計
浮球液位計**應用于化工、冶金、電力、造紙、食品及工業(yè)污水處理等行業(yè)的水塔、水池、水箱、集水坑和工業(yè)槽罐內(nèi)等各種液體介質的液位測量，是一種安裝簡單、工作可靠的連續(xù)液位測量儀表。
浮球液位計工作原理 浮球液位計根據(jù)阿基米德浮力原理設計，利用液體浮力將液位計的空心球體或比液體比重小的物體漂浮于液體表面，隨著液體表面上下變動的而上下運動，浮球隨容器的液位變化而上下移動，由于磁性作用，浮球液位計的導桿內(nèi)干簧管受外套浮球內(nèi)磁性吸合，使傳感器內(nèi)電阻成線性變化，再由轉換器將阻值變化轉換成4mA～20mA標準直流信號輸出，而后傳遞給控制器進行控制或報警動作。實現(xiàn)液面的遠距離檢測和控制。
1.2 電極式液位計
電極式液位計是利用液體導電性能測量液體液位。主要是液位計兩電極芯于具有導電性能的槽液進行接觸而導通和分離而斷開的原理，來獲取實際液體的頁面高度。
1.3 紅外液位計
紅外式液位計是利用光線的折射及反射原理，光線在兩種不同介質的分界面將產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象，當被測液體處于高位時，被測液面與光電開關形成一種分界面。當被測液體處于低位時，空氣與光電開關形成一種分界面，這兩種分界面使光電開關內(nèi)部光接受晶體所接收的反射光強度不同，及對應兩種不同的開關狀態(tài) [1] 。
1.4 超聲波液位計
超聲波液位計是由超聲波換能器發(fā)出超聲波脈沖，經(jīng)液體表面反射后被超聲波接受器接受，通過壓電晶體或磁致伸縮器件轉換成電信號，并由聲波的發(fā)射和接受之間的時間差來計算傳感器到被測液體表面的距離。
2 液位保護原理及應用
液位保護原理是通過液位計將液面高度的變化轉變?yōu)闄C械動作或電氣信號，再通過控制機構或控制器對預定液面低安全液面進行對比檢測，低于低安全液面時進行報警提示并進行槽液自動添加或停止其他加工動作，保證產(chǎn)品質量和防止安全生產(chǎn)事故。目前主要采用電氣控制信號，可應用于報警和動作執(zhí)行雙重控制，具體原理如圖 1 所示。
2.1 液位計選擇及應用
液位計是整個液位保護系統(tǒng)中的檢測元器件，液位的變化或高度數(shù)量由其*先感知，因此液位保護系統(tǒng)可靠運行的*要保證器件，工作原理和可靠性的選擇是重中之重。根據(jù)液體的腐蝕性、導電性、污濁性等而進行選擇。具有腐蝕性的液體，可采用防腐材料的液位計進行檢測，比如不銹鋼、鈦合金、氟塑料等液位計，或者可選擇非接觸式液位計，外紅和超聲波、聲叉液位計等。具有導電性的液體可選用電極式，有電阻、電容、電感等各種類型。污濁性液體或液面具有泡沫等干擾因素，就要考慮選擇的方式是否適用，帶桿浮球式適用于液體潔凈度較好工況，卻不會影響加工機械，可固定安裝，無桿式浮球，對液體潔凈度無要求，但其為非固定式安裝，可能會和機械攪拌機構纏繞發(fā)生事故。
在超聲波及紅外等非接觸式液位計對安裝及槽內(nèi)加工動作影響下，在槽內(nèi)尺寸不足時可選擇，超聲波有側面貼片式安裝。根據(jù)不同控制功能的需要，選擇的電信號也不同。只是對低液位報警，考慮生產(chǎn)成本，只需選擇輸出開關量的液位計即可，有電極式、浮球式干簧管、紅外等液位開關。如果對液體減少量進行檢測并控制槽內(nèi)濃度，或帶有自動槽液配置系統(tǒng)，應選擇帶有變送器的液位傳感器，浮球式、紅外式、超聲波、壓力、聲叉等液位計 [2] 。
2.2 液位保護應用
液位保護應用主要是通過檢測槽內(nèi)液體液面的變化，自動執(zhí)行報警提示、自動添加槽液、停止攪拌、停止加熱、停止過濾及產(chǎn)品加工等功能。由于電鍍工藝是批量生產(chǎn)工序，且過程職業(yè)危害較重，目前多數(shù)生產(chǎn)設備設施為自動化生產(chǎn)線，要求可靠性比較高。
本文主要以安全生產(chǎn)方面功能做主要介紹。檢測傳感器選擇完成后，要達到自動控制，目前多數(shù)為可編程控制器控制。開關量信號或（4～20）mV 模擬量信號傳遞給可編程控制器，對輸入信號進行比較計算，得出液位滿足或不滿足結論。滿足結論可不輸出相應動作，或對液位狀態(tài)和具體高度進行顯示，不滿足液位要輸出報警信號，并停止加工及停止加熱等動作，安全生產(chǎn)考慮主要是停止加熱，防止干燒引起火災事故，因為目前蒸汽加熱建設投資大，多數(shù)為電加熱管加熱方式，火災危險性增大。
要想保證液位保護系統(tǒng)的可靠運行，只保證液位計的硬件可靠性是不夠的，還要保證可編程控制器接收的信號的準確性、控制器的可靠性及執(zhí)行元器件的安全可靠性，終達到液位保護功能的完成。前面已對液位計進行了論述，安全生產(chǎn)控制主要是液位達到低安全液位時必須準確，而如何保證信號的準確性，主要是排除干擾因素。因為加工過程中要進行攪拌或過濾等動作，液位是波浪起伏的，波動頻率隨攪拌頻率或槽體尺寸不同而有差異，一般為（1～3）s。其他電器干擾多為毫秒級信號，持續(xù)時間很短，因此在信號處理時對其進行濾波處理，硬件濾波或軟件濾波都可達到目的，一般使用可編程控制器內(nèi)部時間繼電器進行遲滯處理，排除干擾信號，確保信號的準確性 [3] 。
可編程控制器的可靠性都比較高，目前主流產(chǎn)品都能滿足工廠工況的要求，但也有地域性差異的影響不可忽略，南方潮濕北方干燥，雨季和非雨季，電磁場干擾等，解決以上問題主要是電器柜防護或主動干燥處理，一般加強室內(nèi)和電器柜通風或加干燥劑進行處理。執(zhí)行元器件對于電氣加熱管系統(tǒng)主要采用固態(tài)繼電器或接觸器作為動作控制輸出元器件，主電路帶空氣開關。要保證主電路的安全可靠，主要是防止漏電傷人、短路火災事故和干燒火災事故，前兩種事故主要通過選擇帶漏電保護功能的漏電保護器來防止，防干燒主要是考慮控制元器件的關斷能力。由于負載為電氣加熱管，經(jīng)常會腐蝕擊穿短路，造成固態(tài)繼電器過流擊穿失效，接觸器觸點過流燒蝕無法斷開，執(zhí)行元器件無法斷開后如沒有及時發(fā)現(xiàn)，可能造成干燒后引起火災安全事故。為防止干燒可進行冗余設計，但是成本較高，主要設計為對執(zhí)行電氣元器件進行功能失效檢測報警，檢測固態(tài)繼電器或接觸器輸出信號和 PLC 輸出信號是否一致，不一致則為誤動作，進行報警提示，并選擇帶電磁脫扣線圈的主要空氣開關作為主加熱電路控制器，通過報警信號將加熱主電路電源切斷，防止事故發(fā)生 [4，5] 。
通過分析，要想保證液位保護系統(tǒng)的可靠運行，需根據(jù)工藝方式、液體性能、使用環(huán)境等因素綜合考核選擇元器件和保護系統(tǒng)設計，保證其正常使用，防止安全事故發(fā)生，達到本質安全水平。
在所有工業(yè)生產(chǎn)領域的液位控制過程中，會經(jīng)常性地應用到諸如浮球液位計等液位測量與控制儀表來對生產(chǎn)過程中液位進行監(jiān)測與控制。電鍍行業(yè)同樣如此，電鍍行業(yè)涉及到使用大量的有毒和電鍍液體，對于液位的控制要求更高，目前，液位保護技術在電鍍設備上應用種類較多，機械式和電氣式，接觸式和非接觸式。從可靠性和性價比來考慮，目前多數(shù)使用浮球液位計和電極液位計，精度要求高時使用超聲波和紅外液位計。分析液位保護技術，液位保護原理及應用。本文主要針對于浮球液位計等液位計為大家作介紹。
電鍍工藝中電鍍槽體的槽液量對產(chǎn)品加工工藝有直接的影響，槽液的量及濃度在使用中會減少和降低，因此需對液體進行檢測，根據(jù)精度的不同可使用模擬量檢測方式和開關量檢測方式。電鍍槽中存在實時自動添加系統(tǒng)功能時，需要對槽液儲存量進行精確測量，需配置模擬量傳感器進行檢測，比如紅外、超聲波或浮球位置傳感器；對槽液濃度要求不高時，可采用開關量檢測，主要是報警提示或保護，浮球式或電極式液位開關。
1 液位計
液位保護技術是通過檢測元器件對槽內(nèi)液體的液面進行感知傳輸給控制元器件，對液面進行狀態(tài)報警或控制，保證設備設施的安全使用，有工藝要求和安全要求兩方面。電鍍槽內(nèi)使用液位保護技術，一方面防止液體過少對產(chǎn)品加工質量影響，一方面防止加熱元器件裸露干燒而發(fā)生損壞或安全事故。液位保護元器件主要有浮球式、電極式、超聲波、紅外線等，材料有塑料、不銹鋼、鈦合金等多種，主要根據(jù)使用的工況及保護的功能不同而不同。
1.1 浮球液位計
浮球液位計**應用于化工、冶金、電力、造紙、食品及工業(yè)污水處理等行業(yè)的水塔、水池、水箱、集水坑和工業(yè)槽罐內(nèi)等各種液體介質的液位測量，是一種安裝簡單、工作可靠的連續(xù)液位測量儀表。
浮球液位計工作原理 浮球液位計根據(jù)阿基米德浮力原理設計，利用液體浮力將液位計的空心球體或比液體比重小的物體漂浮于液體表面，隨著液體表面上下變動的而上下運動，浮球隨容器的液位變化而上下移動，由于磁性作用，浮球液位計的導桿內(nèi)干簧管受外套浮球內(nèi)磁性吸合，使傳感器內(nèi)電阻成線性變化，再由轉換器將阻值變化轉換成4mA～20mA標準直流信號輸出，而后傳遞給控制器進行控制或報警動作。實現(xiàn)液面的遠距離檢測和控制。
1.2 電極式液位計
電極式液位計是利用液體導電性能測量液體液位。主要是液位計兩電極芯于具有導電性能的槽液進行接觸而導通和分離而斷開的原理，來獲取實際液體的頁面高度。
1.3 紅外液位計
紅外式液位計是利用光線的折射及反射原理，光線在兩種不同介質的分界面將產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象，當被測液體處于高位時，被測液面與光電開關形成一種分界面。當被測液體處于低位時，空氣與光電開關形成一種分界面，這兩種分界面使光電開關內(nèi)部光接受晶體所接收的反射光強度不同，及對應兩種不同的開關狀態(tài) [1] 。
1.4 超聲波液位計
超聲波液位計是由超聲波換能器發(fā)出超聲波脈沖，經(jīng)液體表面反射后被超聲波接受器接受，通過壓電晶體或磁致伸縮器件轉換成電信號，并由聲波的發(fā)射和接受之間的時間差來計算傳感器到被測液體表面的距離。
2 液位保護原理及應用
液位保護原理是通過液位計將液面高度的變化轉變?yōu)闄C械動作或電氣信號，再通過控制機構或控制器對預定液面低安全液面進行對比檢測，低于低安全液面時進行報警提示并進行槽液自動添加或停止其他加工動作，保證產(chǎn)品質量和防止安全生產(chǎn)事故。目前主要采用電氣控制信號，可應用于報警和動作執(zhí)行雙重控制，具體原理如圖 1 所示。
2.1 液位計選擇及應用
液位計是整個液位保護系統(tǒng)中的檢測元器件，液位的變化或高度數(shù)量由其*先感知，因此液位保護系統(tǒng)可靠運行的*要保證器件，工作原理和可靠性的選擇是重中之重。根據(jù)液體的腐蝕性、導電性、污濁性等而進行選擇。具有腐蝕性的液體，可采用防腐材料的液位計進行檢測，比如不銹鋼、鈦合金、氟塑料等液位計，或者可選擇非接觸式液位計，外紅和超聲波、聲叉液位計等。具有導電性的液體可選用電極式，有電阻、電容、電感等各種類型。污濁性液體或液面具有泡沫等干擾因素，就要考慮選擇的方式是否適用，帶桿浮球式適用于液體潔凈度較好工況，卻不會影響加工機械，可固定安裝，無桿式浮球，對液體潔凈度無要求，但其為非固定式安裝，可能會和機械攪拌機構纏繞發(fā)生事故。
在超聲波及紅外等非接觸式液位計對安裝及槽內(nèi)加工動作影響下，在槽內(nèi)尺寸不足時可選擇，超聲波有側面貼片式安裝。根據(jù)不同控制功能的需要，選擇的電信號也不同。只是對低液位報警，考慮生產(chǎn)成本，只需選擇輸出開關量的液位計即可，有電極式、浮球式干簧管、紅外等液位開關。如果對液體減少量進行檢測并控制槽內(nèi)濃度，或帶有自動槽液配置系統(tǒng)，應選擇帶有變送器的液位傳感器，浮球式、紅外式、超聲波、壓力、聲叉等液位計 [2] 。
2.2 液位保護應用
液位保護應用主要是通過檢測槽內(nèi)液體液面的變化，自動執(zhí)行報警提示、自動添加槽液、停止攪拌、停止加熱、停止過濾及產(chǎn)品加工等功能。由于電鍍工藝是批量生產(chǎn)工序，且過程職業(yè)危害較重，目前多數(shù)生產(chǎn)設備設施為自動化生產(chǎn)線，要求可靠性比較高。
本文主要以安全生產(chǎn)方面功能做主要介紹。檢測傳感器選擇完成后，要達到自動控制，目前多數(shù)為可編程控制器控制。開關量信號或（4～20）mV 模擬量信號傳遞給可編程控制器，對輸入信號進行比較計算，得出液位滿足或不滿足結論。滿足結論可不輸出相應動作，或對液位狀態(tài)和具體高度進行顯示，不滿足液位要輸出報警信號，并停止加工及停止加熱等動作，安全生產(chǎn)考慮主要是停止加熱，防止干燒引起火災事故，因為目前蒸汽加熱建設投資大，多數(shù)為電加熱管加熱方式，火災危險性增大。
要想保證液位保護系統(tǒng)的可靠運行，只保證液位計的硬件可靠性是不夠的，還要保證可編程控制器接收的信號的準確性、控制器的可靠性及執(zhí)行元器件的安全可靠性，終達到液位保護功能的完成。前面已對液位計進行了論述，安全生產(chǎn)控制主要是液位達到低安全液位時必須準確，而如何保證信號的準確性，主要是排除干擾因素。因為加工過程中要進行攪拌或過濾等動作，液位是波浪起伏的，波動頻率隨攪拌頻率或槽體尺寸不同而有差異，一般為（1～3）s。其他電器干擾多為毫秒級信號，持續(xù)時間很短，因此在信號處理時對其進行濾波處理，硬件濾波或軟件濾波都可達到目的，一般使用可編程控制器內(nèi)部時間繼電器進行遲滯處理，排除干擾信號，確保信號的準確性 [3] 。
可編程控制器的可靠性都比較高，目前主流產(chǎn)品都能滿足工廠工況的要求，但也有地域性差異的影響不可忽略，南方潮濕北方干燥，雨季和非雨季，電磁場干擾等，解決以上問題主要是電器柜防護或主動干燥處理，一般加強室內(nèi)和電器柜通風或加干燥劑進行處理。執(zhí)行元器件對于電氣加熱管系統(tǒng)主要采用固態(tài)繼電器或接觸器作為動作控制輸出元器件，主電路帶空氣開關。要保證主電路的安全可靠，主要是防止漏電傷人、短路火災事故和干燒火災事故，前兩種事故主要通過選擇帶漏電保護功能的漏電保護器來防止，防干燒主要是考慮控制元器件的關斷能力。由于負載為電氣加熱管，經(jīng)常會腐蝕擊穿短路，造成固態(tài)繼電器過流擊穿失效，接觸器觸點過流燒蝕無法斷開，執(zhí)行元器件無法斷開后如沒有及時發(fā)現(xiàn)，可能造成干燒后引起火災安全事故。為防止干燒可進行冗余設計，但是成本較高，主要設計為對執(zhí)行電氣元器件進行功能失效檢測報警，檢測固態(tài)繼電器或接觸器輸出信號和 PLC 輸出信號是否一致，不一致則為誤動作，進行報警提示，并選擇帶電磁脫扣線圈的主要空氣開關作為主加熱電路控制器，通過報警信號將加熱主電路電源切斷，防止事故發(fā)生 [4，5] 。
3 結束語
通過分析，要想保證液位保護系統(tǒng)的可靠運行，需根據(jù)工藝方式、液體性能、使用環(huán)境等因素綜合考核選擇元器件和保護系統(tǒng)設計，保證其正常使用，防止安全事故發(fā)生，達到本質安全水平。
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