摘要：大型火力發(fā)電廠"飛灰/底渣島"灰?guī)臁⒚撍畟}的物位檢測是當(dāng)今世界物位制造廠商共同面臨的難題之一，因其應(yīng)用場合較非凡，很難捕捉溫度、壓力、輸料速率、介電常數(shù)等工質(zhì)變化規(guī)律，且沒有現(xiàn)成的控制模式可參照。所以說要真正選型設(shè)計(jì)好、應(yīng)用好物位測量傳感器仍是一件不輕易的事。本文以600MW大型火力發(fā)電廠"飛灰/底渣島"的生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例為背景，從物位測量傳感器的測量原理，選型設(shè)計(jì)、新技術(shù)應(yīng)用、PLC/DCS接口等多角度去判定、分析、解決實(shí)際問題，提出新的思路與建議，與廣大工程技術(shù)人員共同探討。
　　關(guān)鍵詞：物位測量　應(yīng)用技術(shù)　選型設(shè)計(jì)
　　隨著自動(dòng)控制高新技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)式物位測量傳感器在電站、石化、油田等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。固體顆粒、灰粉和泥漿混合物的料（液）位測量，非凡是非接觸式連續(xù)測量一直是物位測量技術(shù)的難題，應(yīng)用在火力發(fā)電廠"飛灰/底渣島"灰?guī)�、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(shù)小等問題；如何合理選型設(shè)計(jì)好適用于　電廠灰?guī)�、脫水倉的新型物位測量傳感器，并應(yīng)用成功已成為要害。物位測量傳感器作為一種非凡的測量傳感器可測量不同介質(zhì)的物位勢能。它在PLC/DCS系統(tǒng)接口中有著非常重要的地位。
　　1　物位測量傳感器的分類及其原理
　　物位測量傳感器可分兩大類：一類是測量物位連續(xù)變化的傳感器：另一類是測量以狀態(tài)為目標(biāo)的開關(guān)式傳感器（即物位開關(guān)）。連續(xù)式測量傳感器主要用于連續(xù)控制的料倉、灰?guī)斓确矫�，有時(shí)也可用于多點(diǎn)報(bào)警系統(tǒng)；開關(guān)式物位測量傳感器主要用于順序控制的限位,報(bào)警等。下面主要介紹三種連續(xù)式物位測量傳感器的基本原理、PLC/DCS接口及應(yīng)用技術(shù)。
　　1.1　雷達(dá)測量原理
　　雷達(dá)測量應(yīng)用"發(fā)射－反射－接收"測量原理。雷達(dá)傳感器的天線以波束的形式發(fā)射最小5.8GHZ的雷達(dá)信號(hào)，反射回來的回波信號(hào)仍由天線接收；雷達(dá)脈沖信號(hào)從發(fā)射到接收的運(yùn)行時(shí)間與測量傳感器到介質(zhì)表面的距離以及物位成比例。（見圖1）一束雷達(dá)脈沖的發(fā)射時(shí)間為1ns，每隔277ns天線系統(tǒng)發(fā)射一束脈沖信號(hào)。脈沖波束的頻率是3.6MHZ，在發(fā)射間隔時(shí)間內(nèi)，天線系統(tǒng)作為接收裝置使用；傳感器分析處理運(yùn)行時(shí)間<十億分之一秒的回波信號(hào)，并在極短的一瞬間分析處理回波圖。
　　1.2　相位跟蹤測量原理
　　相位跟蹤原理利用高頻傳輸線作為探頭。探頭由兩根平行導(dǎo)線組成，垂直懸掛在貯罐內(nèi)。（見圖2）電子部件沿測量傳感器發(fā)送一個(gè)高頻正弦波，這一正弦波產(chǎn)生一個(gè)電磁場。電磁場同時(shí)繞兩根導(dǎo)線移動(dòng)。這一信號(hào)以一個(gè)恒定的速度向料面移動(dòng)，到達(dá)料面處，該信號(hào)被反射并以相同的速度往回移動(dòng)。該信號(hào)之所以會(huì)從料面反射回來，是因?yàn)闇y量傳感器的阻抗在空氣與物料的介面處發(fā)生了突變。因?yàn)殡姶艌鲅由斓綔y量傳感器兩根導(dǎo)線的外部，所以探頭的阻抗取決于四周介質(zhì)的介電常數(shù)ε。
　　1.3　超聲波測量原理
　　它是一種非接觸式的物位測量傳感器，其原理是工作時(shí)向液面或粉體表面發(fā)射一束超聲波，被其反射后，測量傳感器再接收此反射波。（見圖3）設(shè)聲速一定，根據(jù)聲波往返的時(shí)間就可以計(jì)算出測量傳感器到液面（粉體表面）所距離，即測量出液面（粉體表面）位置。其傳感元件有二種，一種是由線圈、磁鐵和膜構(gòu)成的，另一種是由壓電式磁致伸縮材料構(gòu)成的。前者產(chǎn)生10KHZ的超聲波，后者產(chǎn)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。
一般地說，在空氣（或真空中），介電常數(shù)等于1，在所有其物料中，介電常數(shù)總是比1大。因此，在空氣與物料的介面上，由于介電常數(shù)的差別，總會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回波。最小介電常數(shù)之差約為0.5，即物料的最小介電常數(shù)約為1.5。
　　2　三種新型連續(xù)物位測量傳感器的功能特點(diǎn)、PLC接口技術(shù)的分析比較
　　2.1　雷達(dá)測量傳感器的功能分析及PLC接口
　　2.2.1　功能特點(diǎn)：
　　雷達(dá)傳感器連續(xù)，非接觸測量傳感器探頭到介質(zhì)表面的距離。不同的距離對(duì)應(yīng)不同的物位。應(yīng)用非凡的"調(diào)整間隔時(shí)間"技術(shù)，將每秒種3，600，000個(gè)回波圖放大、定位，然后分別進(jìn)行整合、判定，以每0.1秒精確地分析處理這些被放大的回波信號(hào)，節(jié)省分析頻率的時(shí)間。雷達(dá)信號(hào)是一種非凡形式的電磁波，其物理特性與可見光相似。根據(jù)量子論觀點(diǎn)：雷達(dá)信號(hào)可以穿透空間，傳播速度相當(dāng)于光速。
雷達(dá)信號(hào)是否可以被反射，取決于兩個(gè)因素：①。被測介質(zhì)的導(dǎo)電性；②。被測介質(zhì)的介電常數(shù)；所有導(dǎo)電的介質(zhì)都能很好地反射雷達(dá)信號(hào)，盡管介質(zhì)的導(dǎo)電性不是很好，也能被很準(zhǔn)確地測量。
雷達(dá)測量傳感器可以測量所有介質(zhì)電常數(shù)>1.5的介質(zhì)（空氣的介電常數(shù)是1）。介質(zhì)的導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號(hào)的反射效果越好。
　　2.1.2　分析處理
　�、僦悄茏詣�(dòng)
　　雷達(dá)測量傳感器采用先進(jìn)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(dá)信號(hào)運(yùn)行時(shí)間，還將多年的物位及雷達(dá)測量技術(shù)應(yīng)用于智能信號(hào)分析處理。
它的參數(shù)可以被調(diào)整并存儲(chǔ)在一個(gè)記憶存儲(chǔ)器里。內(nèi)置一個(gè)數(shù)據(jù)庫支持此記憶存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)庫內(nèi)有多年來雷達(dá)物位測量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。與人類記憶相似，數(shù)據(jù)庫的記憶是長期記憶，歷史存儲(chǔ)器相當(dāng)于短時(shí)記憶，雷達(dá)信號(hào)的圖片相當(dāng)于瞬時(shí)記憶。
　�、谟�(jì)算概率
　　ECHOFOX?按照計(jì)算概率的方法（模糊邏輯）連續(xù)快速計(jì)算和判定，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(gè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)和實(shí)際的回波圖，測量傳感器在很短的時(shí)間內(nèi)作出決定。標(biāo)有ECHOFOX?的測量傳感器可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)辨別有用回波和虛假回波，并將虛假回波濾出。
　　2.1.3　輸出信號(hào)與PLC的接口
　　測量傳感器的信號(hào)輸出和傳輸十分重要。有兩種輸出：
　�、倥c物位成比例的0/4~20mA模擬信號(hào)；
　　0/4~20mA模擬信號(hào)是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。適用于設(shè)計(jì)單點(diǎn)模擬量測量或PLC/DCS系統(tǒng)；
　�、谂c測量值成比例的數(shù)字型信號(hào)；
　　數(shù)字型信號(hào)傳輸適用于大型測量系統(tǒng)，帶數(shù)字型輸出的傳感器可以任意聯(lián)網(wǎng)。一根兩芯線纜上可以連接5~15個(gè)傳感器（數(shù)字型輸出）
　　數(shù)字型輸出的特點(diǎn)是測量精度高，誤差小。
　　2.1.4應(yīng)用場合
　　雷達(dá)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(zhì)的物位，應(yīng)用于灰粉、固態(tài)顆粒、高溫等各種工況，安全且節(jié)省能源。在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)料位的發(fā)射功率非常小，通過金屬容器外壁可以將雷達(dá)信號(hào)完全隔離。（靜電屏蔽）
　　2.2相位跟蹤測量傳感器的功能分析及PLC接口
　　2.2.1功能特點(diǎn):
　　相位跟蹤法是通過測量發(fā)送RF（RadioFrequency）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。RF波是在一根垂直懸掛在料倉內(nèi)的傳輸線（即傳感元件）中傳播的。發(fā)送RF波與反射波之間的相移是RF波沿傳輸線向料面移動(dòng)，然后再返回頂部時(shí)所走過的距離直接度量。該測量方法取決于物料的性質(zhì)，與介電常無關(guān)。因?yàn)镽F波的傳播不隨壓力和溫度條件變化，所以物料讀數(shù)將在過程物位測量常溫、常壓下保持穩(wěn)定。在粒狀和粉狀物料中，這種測量方法不受加料過程中粉塵、氣力輸送中空氣擾動(dòng)的影響，罐內(nèi)的粉塵對(duì)其檢測的影響亦較小。測量液體時(shí)，不受液體種類、比重變化、介電常數(shù)及液體在探頭上凝聚物的影響。
　　2.2.2　分析處理
　　料倉測量過程與物料性質(zhì)無關(guān)，這是解決多年物料測量難點(diǎn)的重大突破。因?yàn)榘聪辔桓�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(guān)。料位測量的結(jié)果不取決于料倉內(nèi)電容或?qū)щ娐实奈锢硖匦�；介電常�?shù)的變化僅改變反射信號(hào)（Rx）的幅值，而不改變Tx與Rx之間的相位。因此，利用這個(gè)測量原理可以在介電常數(shù)變化的條件下工作。另外，因?yàn)椴紳M粉塵的空氣和粘附在探頭的物料，它們所占據(jù)的空間，與探頭四周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(shù)的變化、料倉的結(jié)構(gòu)，如高度、直徑等這些固體料測量中的干擾均不會(huì)影響相位跟蹤法的測量精度。RF波本身的檢測特點(diǎn)決定相位跟蹤物位檢測傳感器可不受罐內(nèi)溫度變化、物料被攪拌的的影響。
　　2.2.3　輸出信號(hào)與PLC的接口
　　根據(jù)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?yàn)閂是固定的值，可不需現(xiàn)場校準(zhǔn)。采用智能傳感器控制掃頻過程，測出頻率（f2,f1），就能自動(dòng)計(jì)算出料倉內(nèi)的料位高度H。
　　智能化測量算法采用自校核技術(shù)；用PCBUS診斷軟件進(jìn)行RS232C數(shù)椐口通迅，提供就地指示、控制接點(diǎn)，4~20mA輸出及2個(gè)串行數(shù)椐器，可分行供RS232/RS485使用。
　　2.2.4　應(yīng)用場合
　　不需對(duì)溫度及壓力進(jìn)行補(bǔ)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(zhì)是安全的。
　　2.3　超聲波跟蹤測量傳感器的功能分析及PLC接口
　　2.3.1功能特點(diǎn)
　　非接觸式超聲波物位測量系統(tǒng)由兩部分組成：一個(gè)超聲波信號(hào)換能器和一個(gè)遠(yuǎn)距安裝的電子發(fā)收器。換能器不斷發(fā)射一系列的超聲波脈沖并接收自被監(jiān)測的液體或固體表面返回的反射回波。發(fā)收器中的微處理器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成距離、物位或體積，并將此數(shù)據(jù)作為LCD數(shù)字讀數(shù)顯示。
超聲波換能器具有內(nèi)藏式溫度補(bǔ)償和高輸出的特點(diǎn)，可提高自清潔能力。采用可增強(qiáng)換能器靈敏度的動(dòng)態(tài)阻抗匹配（完美的發(fā)射/接收匹配）以使回波幅度達(dá)到最大。
在理想條件下，監(jiān)測一個(gè)容器中的液體或料位，接收來自反射表面的單個(gè)強(qiáng)回波是一個(gè)簡單的過程。但在實(shí)際應(yīng)用中，來自擾動(dòng)、粉塵和來自虛假目標(biāo)幻影的回波、泡沫、蒸氣及因距離產(chǎn)生的聲衰減效應(yīng)等許多因素，使測量工況變得復(fù)雜；這是限制系統(tǒng)測量能力的一部分�，F(xiàn)在的聲波智能TM回波處理軟件，加上新的換能器，可以彌補(bǔ)以前超聲波傳感器不能涉足的場合。
　　2.3.2分析處理
　�、匐娮訂卧�中樞，聲波智能TM軟件使AiRangerDPLPlus和XPL　Plus具有獨(dú)特的回波包絡(luò)線數(shù)字化，以區(qū)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(xué)或電氣噪聲產(chǎn)生的虛假回波。
　�、谌斯ぶ悄転檫m應(yīng)工況條件變化采用高可靠性處理原始回波包絡(luò)線的軟件，該軟件采用曲線成形、統(tǒng)計(jì)分析、回波再造和數(shù)字濾波器等非凡技術(shù)來消除電氣干擾和窄回波的影響。由于回波包絡(luò)線被不斷貯存和刷新，包絡(luò)線的平均化減小了隨機(jī)聲波反射的影響。識(shí)別和剔除來自容器障礙物的幻影、焊縫的回波外形、電氣尖峰的上升時(shí)間、攪拌器葉片的隨機(jī)聲波反射；重新構(gòu)造因由振動(dòng)和凹凸不平的表面所引起的破碎回波，確保惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定測量。
　　2.3.3輸出信號(hào)與PLC的接口
　�、兕A(yù)設(shè)置和微調(diào)
　　DPL　Plus和XPLPlus系統(tǒng)出廠前已預(yù)設(shè)定值，滿足各種固體和液體應(yīng)用場合的要求，在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)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(dòng)和運(yùn)行。
　�、诰幊毯唵�
　　用快速啟動(dòng)軟件可進(jìn)一步對(duì)特定的過程的"細(xì)調(diào)"。通過快速編程選擇所需的工程單位（，ftm等）顯示物位、空間、距離或體積，調(diào)整對(duì)任何倉罐中的物位變化的跟蹤速度。在設(shè)置和運(yùn)行時(shí)可觀察編程值，不必查詢它關(guān)閉過程或不同顯示模式之間的切換；以通訊轉(zhuǎn)換器選件BIC11為兩種控制單元提供同樣的連接至主機(jī)、PLC/DCS系統(tǒng)。
　　2.3.4應(yīng)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(yīng)用選擇不同材料系列，額定溫度范圍為－40~150℃（－40~302°F），測量距離為10m（33ft）~60m（200ft）。檢測物料以飛灰為例。選擇溫度范圍為－40~95℃（－40~203°F），測量距離為10m（33ft）~40m（130ft）�？蓾M足苛刻的現(xiàn)場工作環(huán)境。并在高溫、潮濕、粉塵中獲得最大的聲功率輸出。
　　3　選型設(shè)計(jì)應(yīng)用的基本原則
　�、賾�(yīng)用條件：適應(yīng)測量液體或固體的物位及到被測介質(zhì)的距離，發(fā)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(shù)＞1.5的介質(zhì)；
　�、跍y量精度：測量分辨率<1mm，量程≥0~35m，精度<0。1，無溫度時(shí)間漂移；材質(zhì)穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確；
　�、圻m應(yīng)性強(qiáng)：不受噪音、蒸汽、粉塵、混合氣體和氣體夾層的影響，不受介質(zhì)密度和溫度的影響；
　　非接觸測量，耐磨損工作壓力≥64bar，介質(zhì)溫度超過1000℃；堅(jiān)固耐用，耐化學(xué)腐蝕；
　�、芄δ芡暾�
　　(A)兩線制技術(shù)：0/4~20mA輸出或數(shù)字型輸出共用同一根兩芯線纜；
　　(B)任意聯(lián)網(wǎng)，一根兩芯線纜上可以連接15個(gè)傳感器（數(shù)字型輸出）；
　　(C)可以連接任何符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通訊口的BUS系統(tǒng)；
　　(D)測量傳感器可帶一體式顯示，可以單獨(dú)顯示。
　�、菥S護(hù)簡單：免維護(hù)，電源合理，調(diào)試方便。
　　4　應(yīng)用實(shí)例
　�、倩椅粶y量
　　灰?guī)焓菚捍骘w灰的最后區(qū)域，土砼結(jié)構(gòu)，庫內(nèi)存在著高溫、潮濕、粉塵粘附等因素。監(jiān)測灰?guī)旎椅坏淖兓�有助于整個(gè)飛灰系統(tǒng)的正常輸送，灰位測量的正確與否是和輸灰控制系統(tǒng)構(gòu)成連鎖的要害條件之一；原傳統(tǒng)的灰位測量傳感器大多統(tǒng)配置重錘式、電容式，其精度及輸出信號(hào)是能夠滿足與PLC標(biāo)準(zhǔn)接口要求的。但實(shí)際應(yīng)用受一定條件的限制，尤其不適應(yīng)封閉式灰?guī)斓臋z測，經(jīng)常發(fā)生斷錘、埋錘等現(xiàn)象。作者曾在4×300MW機(jī)組電廠參加過1＃/2＃爐細(xì)灰?guī)煳镂粶y量傳感器的技術(shù)改造，將射頻導(dǎo)納式測量替代原重錘式測量。據(jù)介紹，其探極由TWFLE材料特制而成，可不受灰?guī)旆蹓m飛揚(yáng)粘附的影響，且具有拆卸方便，安裝靈活（即二次儀表壞，不影響探極）等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過一段時(shí)間的試用證實(shí)效果并不理想，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移嚴(yán)重，甚至在顯示上出現(xiàn)"死"數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。后在3＃/4＃爐粗、細(xì)灰?guī)旆謩e改用相位跟蹤測量和雷達(dá)式測量傳感器取得了比較理想的效果。本廠灰?guī)旎椅粶y量選用MILLTRONICSDE的AirangerSPL--519單點(diǎn)抗粉塵超聲波測量傳感器，測量范圍在15m左右，目前使用效果不錯(cuò)。
　�、诿撍畟}測量
　　脫水倉是一個(gè)水渣（泥漿）混和物容于一體的敞開式容器。以前的設(shè)計(jì)僅在于對(duì)倉內(nèi)液位變化作簡單的測量，其輸出信號(hào)不參于系統(tǒng)聯(lián)鎖，故這一測量裝置僅起報(bào)警作用，大多選用重錘式料位測量傳感器，應(yīng)用效果并不理想。而實(shí)際真正需測量的是渣位（灰水混合物）的變化，現(xiàn)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(jié)構(gòu)及氣密的"C"型傳感器。傳感器包含2只超聲波變送器，相互分開成規(guī)定的間隔，構(gòu)成超聲波系統(tǒng)的發(fā)送與接收。當(dāng)發(fā)送的超聲波信號(hào)通過含有懸浮固態(tài)、液態(tài)時(shí)，比通過清水有較大程度的衰減，通過超聲波信號(hào)振幅的增加與減小，激活繼電器的動(dòng)作，輸出信號(hào)，激活外部設(shè)備（脫水倉放渣門）動(dòng)作，同PLC構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)控制，基本能滿足工藝要求。
　　結(jié)束語
　　選型設(shè)計(jì)好"飛灰/底渣島"物位測量傳感器是熱工自動(dòng)控制的一個(gè)新課題，作者根據(jù)多年參加大型火力發(fā)電廠"飛灰/底渣島"建設(shè)及檢修的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)"飛灰/底渣島"物位測量傳感器的選型設(shè)計(jì)提出三條建設(shè)性的意見①滿足工藝要求，適應(yīng)現(xiàn)場工況條件；②輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接口控制簡單；③抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)方便。結(jié)合電廠生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用的工況，全面提高物位測量傳感器的檢測水平，是清潔發(fā)電、安全發(fā)電工作實(shí)踐獲得成功得必然條件。
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