梁國建

1  概述
隨著自動控制高新技術(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，特別是非接觸式連續(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)臁⒚撍畟}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)計好適用于電廠灰?guī)臁⒚撍畟}的新型物位測量傳感器已成為關(guān)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(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。
物位測量傳感器分為兩大類：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)為目標的開關(guān)式傳感器（即物位開關(guān)）。前者主要用于連續(xù)控制的料倉、灰?guī)斓龋袝r也可用于多點報警系統(tǒng)；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(xù)式物位測量傳感器。
2  三種新型連續(xù)物位測量傳感器的原理、功能特點、PLC接口技術(shù)的分析比較
2.1  雷達測量傳感器
(1)  原理
雷達測量應(yīng)用“發(fā)射－反射－接收”測量原理。雷達傳感器的天線以波束的形式發(fā)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(fā)射到接收的運行時間與測量傳感器到介質(zhì)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(fā)射時間為1ns，每隔277ns天線系統(tǒng)發(fā)射一束脈沖信號。脈沖波束的頻率是3.6MHz，在發(fā)射間隔時間內(nèi)，天線系統(tǒng)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(xù)，非接觸測量傳感器探頭到介質(zhì)表面的距離。不同的距離對應(yīng)不同的物位。應(yīng)用特殊的“調(diào)整間隔時間”技術(shù)，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(jié)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(jù)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(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信號，即使介質(zhì)的導(dǎo)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(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(shù)應(yīng)用于智能信號分析處理。
它的參數(shù)可以被調(diào)整并存儲在一個記憶存儲器里。內(nèi)置一個數(shù)據(jù)庫支持此記憶存儲器，數(shù)據(jù)庫內(nèi)有多年來雷達物位測量的經(jīng)驗參數(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(xù)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(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)和實際的回波圖，測量傳感器在很短的時間內(nèi)作出決定。標有ECHOFOX®的測量傳感器可以根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)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(shè)計單點模擬量測量或PLC/DCS系統(tǒng)。
②  與測量值成比例的數(shù)字型信號
數(shù)字型信號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個傳感器（數(shù)字型輸出）。
數(shù)字型輸出的特點是測量精度高，誤差小。
(5)  應(yīng)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(zhì)的物位，主要應(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。在實際應(yīng)用中，雷達料位的發(fā)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(fā)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(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，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(zhì)，與介電常數(shù)無關(guān)。 

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(zhì)無關(guān)，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(guān)。料位測量的結(jié)果不取決于料倉內(nèi)電容或?qū)щ娐实奈锢硖匦裕唤殡姵?shù)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(shù)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(jù)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(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(nèi)溫度變化、物料被攪拌的影響。
(3)  分析處理
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。
因為V是固定的值，可不需現(xiàn)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(nèi)的料位高度H。
智能化測量算法采用自校核技術(shù)。用PCBUS診斷軟件進行RS232C數(shù)據(jù)口通迅，提供就地指示、控制接點、4~20mA輸出及2個串行數(shù)據(jù)器，可分別供RS232/RS485使用。
(4)  應(yīng)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(zhì)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(fā)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(shè)聲速一定，根據(jù)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(gòu)成的，另一種是由壓電式磁質(zhì)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。 

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(tǒng)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(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(tài)阻抗匹配（完美的發(fā)射/接收匹配）以使回波幅度達到最大。
在理想條件下，監(jiān)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(yīng)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(chǎn)生的聲衰減效應(yīng)等許多因素，使測量工況變得復(fù)雜，限制了系統(tǒng)的測量能力。現(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(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或電氣噪聲產(chǎn)生的虛假回波。
②  人工智能 為適應(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)計分析、回波再造和數(shù)字濾波器等特殊技術(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(gòu)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(huán)境下的穩(wěn)定測量。
(4)  輸出信號與PLC的接口
①  預(yù)設(shè)置和微調(diào)
DPL Plus和XPL Plus系統(tǒng)出廠前已進行了預(yù)設(shè)置，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(diào)”。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(diào)整對任何倉罐中的物位變化的跟蹤速度。在設(shè)置和運行時可觀察編程值，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、PLC/DCS系統(tǒng)。
(5)  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℃，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(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)計應(yīng)用的基本原則
①  應(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)。
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(zhì)穩(wěn)定，測量準確。
③  適應(yīng)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(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℃；堅固耐用，耐化學腐蝕。
④  功能完整 (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個傳感器（數(shù)字型輸出）；(c) 可以連接任何符合標準協(xié)議通訊口的BUS系統(tǒng)；(d) 測量傳感器可帶一體式顯示，可以單獨顯示。
⑤  維護簡單 電源合理，調(diào)試方便。
4  應(yīng)用實例
(1)  灰位測量
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兄谡麄€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)成連鎖的關(guān)鍵條件之一。原傳統(tǒng)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(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。作者曾參加某4×300MW電廠1＃/2＃爐細灰?guī)煳镂粶y量傳感器的技術(shù)改進，將射頻導(dǎo)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?guī)旆蹓m飛揚粘附的影響，具有拆卸方便、安裝靈活等優(yōu)點。但經(jīng)過一段時間的試用證明效果并不理想，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移嚴重，甚至在顯示上出現(xiàn)“死”數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。后在3＃/ 4＃爐粗、細灰?guī)旆謩e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(xiàn)在我廠600MW機組的灰?guī)旎椅粶y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(shè)計僅在于對倉內(nèi)液位變化作簡單的測量，其輸出信號不參于系統(tǒng)聯(lián)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(yīng)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(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。它包含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。當發(fā)送的超聲波信號通過含有懸浮固態(tài)、液態(tài)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(shè)備（脫水倉放渣門）動作，同PLC構(gòu)成一個完整的閉環(huán)控制，基本能滿足工藝要求。
5  結(jié)語
選型設(shè)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(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，對“飛灰/底渣島”物位測量傳感器的選型設(shè)計提出三條建設(shè)性的意見：① 滿足工藝要求，適應(yīng)現(xiàn)場工況條件；② 輸出標準信號，接口控制簡單；③ 抗干擾能力強，維護方便。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.