超聲波物位儀在真空處理料倉檢測中的應(yīng)用

1 引言

攀鋼RH-MFB真空處理裝置主要對鋼水去除氣體、夾雜、脫硫、脫碳，處理過程中需添加合金調(diào)整鋼水成分，故設(shè)有14個(gè)合金料倉。為了掌握料倉中合金料位的多少，及時(shí)控制合金添加速度，需要對合金料位進(jìn)行檢測。由于料倉被測介質(zhì)為粗糙的松散固體，在各種物位檢測儀表中，超聲波物位檢測儀具有非接觸、耐腐蝕、適合大儲(chǔ)罐的物料高度測量，而且可以對影響測量精度的因素進(jìn)行修正和按照用戶要求輸出各種標(biāo)準(zhǔn)信號，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程中，因此選用E+H公司的非接觸式單探頭超聲波物位檢測儀。

2 超聲波檢測原理

高功率的壓電陶瓷超聲波探頭發(fā)射聚焦成束的超聲波脈沖，穿過空氣到達(dá)被測介質(zhì)表面，該脈沖全部或部分被反射回探頭。探頭既是發(fā)射裝置，又是接收裝置，它將收到的反射波轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號。根據(jù)脈沖發(fā)出和收到的時(shí)間與探頭和介質(zhì)表面的距離成正比，距離D可由以下公式算出：

D=C·t／2 (2—1)
C——音速；t——聲波傳送時(shí)間。
設(shè)探頭到料倉低部的距離為乙，那么料倉高度H為：H=L-D=L-D=L-C·t／2，如圖2--1所示。B為盲區(qū)。
由于溫度變化對聲速C有較大影響，所以必須通過溫度傳感器及其補(bǔ)償電路對其聲速進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償可按下面公式進(jìn)行；C=331.45+0．61T，檢測系統(tǒng)每測量一次時(shí)間t，同時(shí)采用一次溫度廠值，然后根據(jù)上式計(jì)算出聲速C，帶入公式(2—1)計(jì)算出距離D。

3 系統(tǒng)組成及功能特點(diǎn)

超聲波檢測系統(tǒng)的組成：超聲波探頭DU41C，料位變送器FMU677，通訊器UV260Z。14個(gè)料倉設(shè)有14套超聲波檢測系統(tǒng)。變送器采用支架安裝，使用屏蔽電纜，輸出信號作為西門子PLCS5—155U的模擬輸入，繼電器接點(diǎn)信號與PLC的數(shù)字輸入模件連接，具有高低限報(bào)警功能，檢測結(jié)果顯示在操作站上。組成如圖2--1所示。

3．1 超聲波探頭

探頭型號為DU41C，耐腐蝕，具有自動(dòng)回聲頻率控制，適用于連續(xù)的、非接觸的物位測量。工作溫度—20℃~+60℃，為補(bǔ)償因溫度變化而形成的誤差，在超聲波探頭中還裝有一個(gè)溫度探頭，進(jìn)行溫度變化校正。該探頭可測量20m深的液位，10m高的松散固體料位。工作頻率約29kHz，盲區(qū)約0．9m。

3．2 超聲波變送器

變送器FMU677作為控制系統(tǒng)的過程變量，檢測料倉料位的高低。變送器向探頭供電，探頭回送測量值的模擬信號，變送器將這一信號轉(zhuǎn)化成料位指示，并送到模擬輸出端。

變送器所有的功能，包括模擬輸出和繼電器轉(zhuǎn)換點(diǎn)等各種參數(shù)都可借助工作矩陣表組態(tài)輸入。矩陣中的每個(gè)值都用豎值(V)和橫值(H)坐標(biāo)顯示，對測量點(diǎn)和系統(tǒng)標(biāo)定必須調(diào)用工作矩陣，故障診斷信息也可在矩陣表查找，可借助通訊器UV260Z在變送器前盤輸入，操作簡便。測量系統(tǒng)有6種工作方式，使其能適用于測量液體或松散固體。該系統(tǒng)被測介質(zhì)為粗糙的松散固體，故選用工作方式5。對于體積與料位不成比例的容器，手動(dòng)線性化可將料位測量轉(zhuǎn)化為容積測量。

變送器的模擬輸出一路可轉(zhuǎn)換電流輸出0(或4)~20mA，另一路可轉(zhuǎn)換電壓輸出0(或2)~10V。內(nèi)部的過濾器用于平滑模擬輸出波動(dòng)。如果變送器的自跟蹤線路發(fā)現(xiàn)一個(gè)故障或警報(bào)，電流和電壓輸出可采用特定值，此時(shí)繼電器隨模擬輸出的高低限動(dòng)作。變送器的兩個(gè)獨(dú)立繼電器，每個(gè)都有電壓隔離，根據(jù)測量值大小進(jìn)行觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換。每個(gè)極限開關(guān)都可采取最?。畲蠊收习踩绞?，極限開關(guān)的滯后時(shí)間可自由選擇，這一點(diǎn)為料位恢復(fù)正常時(shí)繼電器斷開的點(diǎn)。

對于容器內(nèi)部潛在的或間斷的回聲干擾，可采取固定目標(biāo)抑制，防止虛假回聲；或包絡(luò)曲線統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出所有包絡(luò)曲線的平均值，調(diào)整適當(dāng)?shù)膮?shù)抑制間斷干擾；如果在最大料位和盲區(qū)間有一固定件，增加盲區(qū)距離，可消除其產(chǎn)生的回聲。

另外，變送器可監(jiān)視從探頭到輸出的所有回路，并指示由報(bào)警繼電器發(fā)出的故障信號(報(bào)警燈亮，并傳送故障信號)。此外模擬方式可用于檢查系統(tǒng)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，利于工作人員及時(shí)準(zhǔn)確排除故障。

3．3 安裝要求

超聲波準(zhǔn)確測量的一個(gè)重要先決條件就是探頭的正確定位和安裝，以便使檢測儀正常使用，減少測量誤差。安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)安裝時(shí)應(yīng)與介質(zhì)表面垂直，留有盲區(qū)，在容器溢出時(shí)介質(zhì)不會(huì)接觸探頭。

2)測量料倉內(nèi)固體料位肘，要考慮固體物料在界面上不是平整的。通常在進(jìn)料口的物料高于儲(chǔ)倉周邊，因此探頭應(yīng)安裝在能測量出反應(yīng)物料平均高度的位置上，不要將探頭安裝在料倉頂部中央。

3)超聲波探頭有它的聲波指向角，在發(fā)射波束范圍內(nèi)的任何物件，包括容器，儲(chǔ)罐的壁都會(huì)反射干擾回波，產(chǎn)生測量誤差，所以探頭安裝位置不宜距離器壁太近。實(shí)際應(yīng)用中由于料倉低部呈圓錐形，物料出口漏斗中央附近也會(huì)反射聲波(即使料斗是空的)，故調(diào)整探頭角度，盡量遠(yuǎn)離容器壁、擋板及物料入口。

4 結(jié) 語

該超聲波物位檢測儀自投運(yùn)以來運(yùn)行正常(測量分辨率在±5mm內(nèi))，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：

由于超聲波物位儀無可動(dòng)部件，沒有機(jī)械磨損，安裝簡便，便于實(shí)施；非接觸式測量、維護(hù)量少，減少了故障率；標(biāo)定簡單、精度高，安全可靠。

該系統(tǒng)上、下限報(bào)警準(zhǔn)確，保證了及時(shí)加、減物料；測量準(zhǔn)確，顯示直觀，使操作人員能有效控制合金添加速度，提高了工作效率和準(zhǔn)確性，為連鑄生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼創(chuàng)造了條件。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王 玨，焦 清，沈 毅，新型物位檢測技術(shù)應(yīng)用研究
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