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梁國建

1  概述
隨著自動控制高新技術的發展，連續式物位測量傳感器在電站、石化、油田等工業領域得到廣泛的應用。固體顆粒、灰粉和泥漿混合物的料（液）位測量，特別是非接觸式連續測量一直是物位測量技術的難題，應用在火力發電廠“飛灰/底渣島”灰庫、脫水倉料位檢測的問題更加突出。它始終存在粉塵粘性大、溫度偏高、介電常數小等問題。如何合理選型設計好適用于電廠灰庫、脫水倉的新型物位測量傳感器已成為關鍵。物位測量傳感器作為一種特殊的測量傳感器可測量不同介質的物位勢能。它在PLC/DCS系統接口中有著非常重要的地位。
物位測量傳感器分為兩大類：一類是測量物位連續變化的傳感器；另一類是測量以狀態為目標的開關式傳感器（即物位開關）。前者主要用于連續控制的料倉、灰庫等，有時也可用于多點報警系統；后者主要用于順序控制的限位，報警等。下面主要介紹三種連續式物位測量傳感器。
2  三種新型連續物位測量傳感器的原理、功能特點、PLC接口技術的分析比較
2.1  雷達測量傳感器
(1)  原理
雷達測量應用“發射－反射－接收”測量原理。雷達傳感器的天線以波束的形式發射最小5.8GHz的雷達信號，反射回來的回波信號仍由天線接收；雷達脈沖信號從發射到接收的運行時間與測量傳感器到介質表面的距離以及物位成比例。如圖1所示，一束雷達脈沖的發射時間為1ns，每隔277ns天線系統發射一束脈沖信號。脈沖波束的頻率是3.6MHz，在發射間隔時間內，天線系統作為接收裝置使用；傳感器分析處理運行時間小于十億分之一秒的回波信號，并在極短的一瞬間分析處理回波圖。 

圖1  雷達物位測量原理圖

(2)  功能特點
雷達傳感器連續，非接觸測量傳感器探頭到介質表面的距離。不同的距離對應不同的物位。應用特殊的“調整間隔時間”技術，將每秒3 600 000個回波圖放大、定位，然后分別進行整合、判斷，每0.1秒精確地分析處理這些被放大的回波信號，節省分析頻率的時間。雷達信號是一種特殊形式的電磁波，其物理特性與可見光相似。根據量子論觀點：雷達信號可以穿透空間，傳播速度相當于光速。
雷達信號是否可以被反射，取決于兩個因素：① 被測介質的導電性；② 被測介質的介電常數。所有導電的介質都能很好地反射雷達信號，即使介質的導電性不是很好，也能被很準確地測量。雷達測量傳感器可以測量所有介電常數>1.5的介質（空氣的介電常數是1）。介質的導電性越好或介電常數越大，回波信號的反射效果越好。
(3)  分析處理
①  智能自動
雷達測量傳感器采用先進的電子部件，測量效率很高。能夠探測到比十億分之一還短的雷達信號運行時間，還將多年的物位及雷達測量技術應用于智能信號分析處理。
它的參數可以被調整并存儲在一個記憶存儲器里。內置一個數據庫支持此記憶存儲器，數據庫內有多年來雷達物位測量的經驗參數。與人類記憶相似，數據庫的記憶是長期記憶，歷史存儲器相當于短時記憶，雷達信號的圖片相當于瞬時記憶。
②  計算概率
德國VEGA公司的雷達傳感器ECHOFOX®按照計算概率的方法（模糊邏輯）連續快速計算和判斷哪些回波圖是正確的，并且每0.1秒重新給出物位。基于兩個數據庫的數據和實際的回波圖，測量傳感器在很短的時間內作出決定。標有ECHOFOX®的測量傳感器可以根據經驗參數辨別有用回波和虛假回波，并將虛假回波濾出。
(4)  輸出信號與PLC的接口
測量傳感器的信號輸出和傳輸十分重要。有兩種輸出。
①  與物位成比例的0/4~20mA模擬信號
0/4~20mA模擬信號是一種通用的標準信號，適用于設計單點模擬量測量或PLC/DCS系統。
②  與測量值成比例的數字型信號
數字型信號傳輸適用于大型測量系統，帶數字型輸出的傳感器可以任意聯網。一根兩芯線纜上可以連接5~15個傳感器（數字型輸出）。
數字型輸出的特點是測量精度高，誤差小。
(5)  應用場合
雷達式測量傳感器不受溫度、壓力、氣體等條件的限制和影響，可無接觸、精確地測量不同介質的物位，主要應用于灰粉、固態顆粒、高溫等各種工況，安全且節省能源。在實際應用中，雷達料位的發射功率非常小，通過金屬容器外壁可以將雷達信號完全隔離（靜電屏蔽）。
2.2  相位跟蹤測量傳感器
(1)  原理
相位跟蹤法是通過測量發送RF（Radio Frequency）射頻波與從物料表面反射回波之間的相位角來測量物位的。如圖2所示，RF波是在一根垂直懸掛在料倉內的傳輸線（即傳感元件）中傳播的。發送RF波與反射波之間的相移是RF波沿傳輸線向料面移動，然后再返回頂部時所走過的距離直接度量。該測量方法取決于物料的性質，與介電常數無關。 

圖2  相位跟蹤測量原理圖

(2)  功能特點
料倉測量過程與物料性質無關，這是解決多年物料測量難點的重大突破。因為按相位跟蹤原理，其測量的是物料上面空間的高度，而不是物料本身，所以與物料無關。料位測量的結果不取決于料倉內電容或導電率的物理特性；介電常數的變化僅改變Rx（反射信號）的幅值，而不改變Tx（輸入信號）與Rx之間的相位。因此，利用這個測量原理可以在介電常數變化的條件下工作。另外，因為充滿粉塵的空氣和粘附在探頭的物料，它們所占據的空間，與探頭周圍的測量空間相比是微不足道的，故加料過程中的粉塵及因溫度變化而引起的介電常數的變化、料倉的結構，如高度、直徑等這些固體料測量中的干擾均不會影響相位跟蹤法的測量精度。RF波本身的檢測特點決定相位跟蹤物位檢測傳感器可不受罐內溫度變化、物料被攪拌的影響。
(3)  分析處理
根據公式 ：，
H：料倉中料位高度，Ho：料倉總高（探頭長度），L：探頭頂部到料面的距離，V：速度，：f2與f1的頻率差。
因為V是固定的值，可不需現場校準。采用智能傳感器控制掃頻過程，測出頻率（f2，f1），就能自動計算出料倉內的料位高度H。
智能化測量算法采用自校核技術。用PCBUS診斷軟件進行RS232C數據口通迅，提供就地指示、控制接點、4~20mA輸出及2個串行數據器，可分別供RS232/RS485使用。
(4)  應用場合
不需對溫度及壓力進行補償。因射頻波可以固定的速度在真空、空氣中傳播，它不受溫度、壓力、灰塵的影響。相位跟蹤需要的能量很小，它的本質是安全的。
2.3  超聲波跟蹤測量傳感器
(1)  原理
其原理是工作時向液面或粉體表面發射一束超聲波，被其反射后，測量傳感器再接收此反射波。如圖3所示，設聲速一定，根據聲波往返的時間就可以計算出測量傳感器到液面（粉體表面）的距離，即測量出液面（粉體表面）位置。其傳感元件有兩種，一種是由線圈、磁鐵和膜構成的，另一種是由壓電式磁質伸縮材料構成的。前者產生10kHz的超聲波，后者產生20~40kHz的超聲波。超聲波的頻率愈低，距離的衰減愈小，但反射效率也小。 

圖3  超聲波測量原理圖

(2)  功能特點
非接觸式超聲波物位測量系統由兩部分組成：一個超聲波信號換能器和一個遠距離安裝的電子發收器。換能器不斷發射一系列的超聲波脈沖并接收自被監測的液體或固體表面返回的反射回波。發收器中的微處理器將信號轉換成距離、物位或體積，并將此數據作為LCD數字讀數顯示。
超聲波換能器具有內藏式溫度補償和高輸出的特點，可提高自清潔能力。采用可增強換能器靈敏度的動態阻抗匹配（完美的發射/接收匹配）以使回波幅度達到最大。
在理想條件下，監測一個容器中的液體或料位，接收來自反射表面的單個強回波是一個簡單的過程。但在實際應用中，來自擾動、粉塵和虛假目標幻影的回波、泡沫、蒸氣及因距離產生的聲衰減效應等許多因素，使測量工況變得復雜，限制了系統的測量能力。現在的聲波智能TM回波處理軟件，加上新的換能器，可以彌補以前超聲波傳感器不能涉足的場合。
(3)  分析處理
①  電子單元中樞，聲波智能TM軟件使DPL Plus接口和XPL Plus接口具有獨特的回波包絡線數字化，以區別由固體或液體表面反射的“真正”回波與由容器障礙物和聲學或電氣噪聲產生的虛假回波。
②  人工智能 為適應工況條件變化采用高可靠性處理原始回波包絡線的軟件，該軟件采用曲線成形、統計分析、回波再造和數字濾波器等特殊技術來消除電氣干擾和窄回波的影響。由于回波包絡線被不斷貯存和刷新，包絡線的平均化減小了隨機聲波反射的影響。識別和剔除來自容器障礙物的幻影、焊縫的回波形狀、電氣尖峰的上升時間、攪拌器葉片的隨機聲波反射；重新構造因由振動和凹凸不平的表面所引起的破碎回波，確保惡劣環境下的穩定測量。
(4)  輸出信號與PLC的接口
①  預設置和微調
DPL Plus和XPL Plus系統出廠前已進行了預設置，滿足各種固體和液體應用場合的要求，在現場根據實際的固體或液體中選擇，并輸入容器尺寸，控制單元即可啟動和運行。
②  編程簡單
用快速啟動軟件可進一步對特定的過程“細調”。通過快速編程選擇所需的工程單位顯示物位、空間、距離或體積，調整對任何倉罐中的物位變化的跟蹤速度。在設置和運行時可觀察編程值，不必查詢它關閉過程或不同顯示模式之間的切換；以通訊轉換器選件BIC11為兩種控制單元提供同樣的連接至主機、PLC/DCS系統。
(5)  應用場合
超聲波換能器被熔接密封在材料Kynar的外殼中。不同場合應用選擇不同材料系列，額定溫度范圍為－40~150℃，測量距離為10~60m。檢測物料以飛灰為例，選擇溫度范圍為－40~95℃，測量距離為10~40m。可滿足苛刻的現場工作環境，并在高溫、潮濕、粉塵中獲得最大的聲功率輸出。
3  選型設計應用的基本原則
①  應用條件 適應測量液體或固體的物位及到被測介質的距離，發射能量很小，不影響人體安全，可以在真空條件下測量，可以測量所有介電常數＞1.5的介質。
②  測量精度 測量分辨率<1mm，量程≥0~35m，精度<0.1%，無溫度時間漂移；材質穩定，測量準確。
③  適應性強 不受噪音、蒸汽、粉塵、混合氣體和氣體夾層的影響，不受介質密度和溫度的影響；非接觸測量，耐磨損工作壓力≥64bar，介質溫度超過1000℃；堅固耐用，耐化學腐蝕。
④  功能完整 (a) 兩線制技術0/4~20mA輸出或數字型輸出共用同一根兩芯線纜；(b) 任意聯網，一根兩芯線纜上可以連接15個傳感器（數字型輸出）；(c) 可以連接任何符合標準協議通訊口的BUS系統；(d) 測量傳感器可帶一體式顯示，可以單獨顯示。
⑤  維護簡單 電源合理，調試方便。
4  應用實例
(1)  灰位測量
灰庫是暫存飛灰的最后區域，土砼結構，庫內存在著高溫、潮濕、粉塵粘附等因素。監測灰庫灰位的變化有助于整個飛灰系統的正常輸送，灰位測量的正確與否是和輸灰控制系統構成連鎖的關鍵條件之一。原傳統的灰位測量傳感器大多為重錘式、電容式，其精度及輸出信號雖能夠滿足與PLC標準接口的要求。但實際應用受一定條件的限制，尤其不適應封閉式灰庫的檢測，經常發生斷錘、埋錘等現象。作者曾參加某4×300MW電廠1＃/2＃爐細灰庫物位測量傳感器的技術改進，將射頻導納式測量替代原重錘式測量。其探極由TWFLE材料特制而成，可不受灰庫粉塵飛揚粘附的影響，具有拆卸方便、安裝靈活等優點。但經過一段時間的試用證明效果并不理想，發現數據漂移嚴重，甚至在顯示上出現“死”數據的現象。后在3＃/ 4＃爐粗、細灰庫分別改用相位跟蹤測量和雷達式測量傳感器取得了比較理想的效果。現在我廠600MW機組的灰庫灰位測量選用MILLTRONICSDE 的Airanger SPL--519單點抗粉塵超聲波測量傳感器，測量范圍在15 m左右，目前使用效果不錯。
(2)  脫水倉測量
脫水倉是一個水渣（泥漿）混和物的敞開式容器。以前的設計僅在于對倉內液位變化作簡單的測量，其輸出信號不參于系統聯鎖，故這一測量裝置僅起報警作用，大多選用重錘式料位測量傳感器，應用效果并不理想。而實際真正需測量的是渣位（灰水混合物）的變化。現在改用Sensall4901SL型污泥/泥漿音叉式控制。該傳感探頭為一不銹鋼結構及氣密的“C”型傳感器。它包含2只超聲波變送器，相互分開成規定的間隔，構成超聲波系統的發送與接收。當發送的超聲波信號通過含有懸浮固態、液態時，比通過清水有較大程度的衰減，通過超聲波信號振幅的增加與減小，激活繼電器動作，輸出信號，激活外部設備（脫水倉放渣門）動作，同PLC構成一個完整的閉環控制，基本能滿足工藝要求。
5  結語
選型設計好“飛灰/底渣島”物位測量傳感器是熱工自動控制的一個新課題，作者根據多年參加大型火力發電廠“飛灰/底渣島”建設及檢修的工作經驗，對“飛灰/底渣島”物位測量傳感器的選型設計提出三條建設性的意見：① 滿足工藝要求，適應現場工況條件；② 輸出標準信號，接口控制簡單；③ 抗干擾能力強，維護方便。結合電廠生產現場應用的工況，全面提高物位測量傳感器的檢測水平，是清潔發電、安全發電工作獲得成功的主要條件。

參考文獻：
[1]  VEGA PULS50 Lever and pressure Operating Instructions, 2000,2.
[2]  CELTEK LM-7000 Phase Tracking System Product Description, 1998,7.
[3]  MILLTRONICS AiRanger SPL-519 Instruction Manual, 1997,9.