超聲波物位儀在真空處理料倉檢測中的應用

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整鋼水成分，故設有14個合金料倉。為了掌握料倉中合金料位的多少，及時控制合金添加速度，需要對合金料位進行檢測。由于料倉被測介質為粗糙的松散固體，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、適合大儲罐的物料高度測量，而且可以對影響測量精度的因素進行修正和按照用戶要求輸出各種標準信號，已經(jīng)廣泛應用于生產(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，穿過空氣到達被測介質表面，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換成一個電信號。根據(jù)脈沖發(fā)出和收到的時間與探頭和介質表面的距離成正比，距離D可由以下公式算出：

D=C·t／2 (2—1)
C——音速；t——聲波傳送時間。
設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償電路對其聲速進行補償。補償可按下面公式進行；C=331.45+0．61T，檢測系統(tǒng)每測量一次時間t，同時采用一次溫度廠值，然后根據(jù)上式計算出聲速C，帶入公式(2—1)計算出距離D。

3 系統(tǒng)組成及功能特點

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個料倉設有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，繼電器接點信號與PLC的數(shù)字輸入模件連接，具有高低限報警功能，檢測結果顯示在操作站上。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℃，為補償因溫度變化而形成的誤差，在超聲波探頭中還裝有一個溫度探頭，進行溫度變化校正。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換點等各種參數(shù)都可借助工作矩陣表組態(tài)輸入。矩陣中的每個值都用豎值(V)和橫值(H)坐標顯示，對測量點和系統(tǒng)標定必須調用工作矩陣，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，手動線性化可將料位測量轉化為容積測量。

變送器的模擬輸出一路可轉換電流輸出0(或4)~20mA，另一路可轉換電壓輸出0(或2)~10V。內部的過濾器用于平滑模擬輸出波動。如果變送器的自跟蹤線路發(fā)現(xiàn)一個故障或警報，電流和電壓輸出可采用特定值，此時繼電器隨模擬輸出的高低限動作。變送器的兩個獨立繼電器，每個都有電壓隔離，根據(jù)測量值大小進行觸點轉換。每個極限開關都可采取最小／最大故障安全方式，極限開關的滯后時間可自由選擇，這一點為料位恢復正常時繼電器斷開的點。

對于容器內部潛在的或間斷的回聲干擾，可采取固定目標抑制，防止虛假回聲；或包絡曲線統(tǒng)計，計算出所有包絡曲線的平均值，調整適當?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，并指示由報警繼電器發(fā)出的故障信號(報警燈亮，并傳送故障信號)。此外模擬方式可用于檢查系統(tǒng)是否運轉正常，利于工作人員及時準確排除故障。

3．3 安裝要求

超聲波準確測量的一個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。安裝時應注意以下幾點：

1)安裝時應與介質表面垂直，留有盲區(qū)，在容器溢出時介質不會接觸探頭。

2)測量料倉內固體料位肘，要考慮固體物料在界面上不是平整的。通常在進料口的物料高于儲倉周邊，因此探頭應安裝在能測量出反應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)射波束范圍內的任何物件，包括容器，儲罐的壁都會反射干擾回波，產(chǎn)生測量誤差，所以探頭安裝位置不宜距離器壁太近。實際應用中由于料倉低部呈圓錐形，物料出口漏斗中央附近也會反射聲波(即使料斗是空的)，故調整探頭角度，盡量遠離容器壁、擋板及物料入口。

4 結 語

該超聲波物位檢測儀自投運以來運行正常(測量分辨率在±5mm內)，取得了較大的經(jīng)濟效益，值得推廣應用。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面：

由于超聲波物位儀無可動部件，沒有機械磨損，安裝簡便，便于實施；非接觸式測量、維護量少，減少了故障率；標定簡單、精度高，安全可靠。

該系統(tǒng)上、下限報警準確，保證了及時加、減物料；測量準確，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確性，為連鑄生產(chǎn)優(yōu)質合金鋼創(chuàng)造了條件。

[參考文獻]

[1] 王 玨，焦 清，沈 毅，新型物位檢測技術應用研究
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