智能超聲波水泥料位儀的研制及應(yīng)用
2007-06-19 00:00
引言
水泥廠和混凝土攪拌站的倉內(nèi)料位是生產(chǎn)過程控制的重要參數(shù)之一,水泥行業(yè)應(yīng)用較多的料位計有重錘式料位計、音叉式料位計、電容式料位計、超聲波料位計等。重錘式料位計屬接觸式計量方式,但重錘及其鏈帶易被水泥或生料粉粘裹,且受粉料沖刷,從而造成斷帶、掉錘頭等故障,影響下道工序的安全生產(chǎn)。工業(yè)過程控制系統(tǒng)的各種儲罐、料倉檢測中常用的超聲波液位計、料位計,在常壓、被測物料對超聲波吸收較小,工作環(huán)境溫度不太高的工況條件下應(yīng)用的不少,但是,能在儲罐、料倉內(nèi)有壓力、被測物料對超聲波具有強吸收、高衰減(如水泥等)的工況條件下工作的超聲波料位儀尚未見到成功應(yīng)用的報道。因此,研制能對水泥物料進行測量的安全、準確、大量程超聲波物位儀表已成為急需。我們針對這一狀況,成功地研制出了一種在水泥儲倉或庫內(nèi)即使有5×105Pa壓力、溫度70℃以上、彌漫霧狀工況條件下也能有效工作的超聲波水泥料位儀,該儀器量程為42m(剛性面,量程可達到130m),盲區(qū)1.5m,測量精度可達全量程的±0.5%。
1 工作原理
超聲波測量物位是利用聲納原理來確定物料在容器內(nèi)的位置,是一種在空氣中的聲納定位設(shè)備。它的工作原理可簡述為:超聲波換能器發(fā)出的超聲脈沖,通過空氣傳到物料的界面,經(jīng)界面反射回到發(fā)射換能器并被其接收。只要測出超聲脈沖從發(fā)射到接收所用的時間,再根據(jù)空氣中的聲速,就可計算出換能器到物料面的距離,從而確定物位。假定超聲換能器到物料面的垂直距離為L,超聲波從發(fā)射到接收的時間為T,空氣中的聲速為c,則換能器到物料面的距離為:
L=cT/2 (1)
c=331.4+0.61t (m/s) (2)
式中:t———為攝氏溫度,℃。
由于距離L的測量精度與空氣聲速c、測量時間T的精度有關(guān),而現(xiàn)在對測時的精度可達到10-6s以上,因此L的精度實際上依賴于c的精度。而聲速c是一個與溫度有關(guān)的量,從(2)式可知,溫度t每變化1℃,聲速近似變化千分之二。如果不對聲速c修正,
在測量中就會產(chǎn)生很大的誤差。對聲速校正的方法有:標準量具法和溫度傳感器法。我們采用溫度傳感器補償法,它直接由單片機對溫度采樣運算。
2 儀器的設(shè)計
此前的超聲波料位儀未能有效地測量水泥料位的原因在于:1)水泥物料對超聲波有很強的聲吸收;2)水泥物料在儲存的運送過程中無論是采用氣流輸送或是提升機輸送,都會使水泥在庫、倉中的堆積密度隨時間而變化;3)水泥從庫、倉頂部送入,使庫、倉內(nèi)呈現(xiàn)彌漫氣霧狀。此外有時入庫、倉時水泥溫度很高,這也是測量水泥料位的一大障礙。鑒于這些原因,在設(shè)計研制儀器時,對(1)、(2)式中的參數(shù)進行了模似測試及理論推算,以期使儀器能對強吸收、高衰減、高溫的水泥物料測量時獲得有效、可靠的使用效果。
根據(jù)以上綜合分析,設(shè)計了超聲波料位儀的儀器工作原理框圖,如圖1所示。
圖1 超聲波料位儀器的原理框圖
微處理器8031是儀器的核心。在軟件的支持下,通過鍵盤可進行人機對話,根據(jù)現(xiàn)場工況條件,進行參數(shù)設(shè)置。由于各現(xiàn)場工況條件差異甚大,特意設(shè)計了一種鑒別真?zhèn)涡盘柕碾娐?。另外,軟件中也增設(shè)了判別信號真?zhèn)蔚墓δ?,進一步保證了測量結(jié)果的準確性。
A/D測溫電路通過接在橋路中的鉑電阻放大再與0809模塊相聯(lián),8031通過它進行溫度采樣運算。
D/A為模擬輸出,輸出4~20mA,也可接記錄儀。
3 換能器
超聲換能器是料位儀的關(guān)鍵部件,它擔負著超聲波的發(fā)射和接收的任務(wù)。
為了獲得高的發(fā)射效率和接收靈敏度以及能長期連續(xù)有效地進行檢測,而其表面不聚集水泥物料,我們選用了縱向-圓盤彎曲復合振動模式的換能器。并在換能器輻射表面采用了特制的耐高溫低聲速材料,使其既能提高發(fā)射效率,又能耐高溫。另外還要考慮水泥料面對聲波的反射強度、聲波路徑傳播損失、接收指向性、現(xiàn)場環(huán)境噪聲以及筒、庫內(nèi)的物料狀態(tài);也不能忽視筒、庫內(nèi)有壓力,物料面反射強度極弱時的狀況。經(jīng)過近兩年來的使用考驗,它能連續(xù)、有效地進行檢測,其表面不會聚集水泥物料,達到了預期目標。
4 工程應(yīng)用
該料位儀安裝和使用方便,只需在料倉或庫頂端開啟一個與換能器直徑一致的孔洞即可,控制儀表安裝在操作室,檢測安全方便。儀表有兩種模塊(按用戶要求任選其一),可以顯示料位高度或料倉內(nèi)料面到庫頂空間高度,每種模式下可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)以實際高度(m)顯示,或百分數(shù)顯示。我們已將這類超聲波物位儀表成功地使用在倉容量分別為一萬噸、一千噸,高度分別為42m、36m的水泥庫上(庫內(nèi)壓力5×105Pa),儀表性能穩(wěn)定、可靠,可實時地反映料庫內(nèi)物料的位置,儀器測量精度可達到全量程的±0.5%。目前,這種超聲波物位儀已經(jīng)在北京、河北以及上海等企業(yè)的水泥倉、庫上應(yīng)用,經(jīng)近兩年來的使用,儀器的故障率幾乎為零,深受用戶歡迎。
表1是2000年4月5日北京城建公司三分公司混凝土攪拌站兩個水泥倉應(yīng)用該料位儀的測試數(shù)據(jù)。
注:1)數(shù)據(jù)為料面至庫頂距離;2)測量間隔時間為10min。
水泥廠和混凝土攪拌站的倉內(nèi)料位是生產(chǎn)過程控制的重要參數(shù)之一,水泥行業(yè)應(yīng)用較多的料位計有重錘式料位計、音叉式料位計、電容式料位計、超聲波料位計等。重錘式料位計屬接觸式計量方式,但重錘及其鏈帶易被水泥或生料粉粘裹,且受粉料沖刷,從而造成斷帶、掉錘頭等故障,影響下道工序的安全生產(chǎn)。工業(yè)過程控制系統(tǒng)的各種儲罐、料倉檢測中常用的超聲波液位計、料位計,在常壓、被測物料對超聲波吸收較小,工作環(huán)境溫度不太高的工況條件下應(yīng)用的不少,但是,能在儲罐、料倉內(nèi)有壓力、被測物料對超聲波具有強吸收、高衰減(如水泥等)的工況條件下工作的超聲波料位儀尚未見到成功應(yīng)用的報道。因此,研制能對水泥物料進行測量的安全、準確、大量程超聲波物位儀表已成為急需。我們針對這一狀況,成功地研制出了一種在水泥儲倉或庫內(nèi)即使有5×105Pa壓力、溫度70℃以上、彌漫霧狀工況條件下也能有效工作的超聲波水泥料位儀,該儀器量程為42m(剛性面,量程可達到130m),盲區(qū)1.5m,測量精度可達全量程的±0.5%。
1 工作原理
超聲波測量物位是利用聲納原理來確定物料在容器內(nèi)的位置,是一種在空氣中的聲納定位設(shè)備。它的工作原理可簡述為:超聲波換能器發(fā)出的超聲脈沖,通過空氣傳到物料的界面,經(jīng)界面反射回到發(fā)射換能器并被其接收。只要測出超聲脈沖從發(fā)射到接收所用的時間,再根據(jù)空氣中的聲速,就可計算出換能器到物料面的距離,從而確定物位。假定超聲換能器到物料面的垂直距離為L,超聲波從發(fā)射到接收的時間為T,空氣中的聲速為c,則換能器到物料面的距離為:
L=cT/2 (1)
c=331.4+0.61t (m/s) (2)
式中:t———為攝氏溫度,℃。
由于距離L的測量精度與空氣聲速c、測量時間T的精度有關(guān),而現(xiàn)在對測時的精度可達到10-6s以上,因此L的精度實際上依賴于c的精度。而聲速c是一個與溫度有關(guān)的量,從(2)式可知,溫度t每變化1℃,聲速近似變化千分之二。如果不對聲速c修正,
在測量中就會產(chǎn)生很大的誤差。對聲速校正的方法有:標準量具法和溫度傳感器法。我們采用溫度傳感器補償法,它直接由單片機對溫度采樣運算。
2 儀器的設(shè)計
此前的超聲波料位儀未能有效地測量水泥料位的原因在于:1)水泥物料對超聲波有很強的聲吸收;2)水泥物料在儲存的運送過程中無論是采用氣流輸送或是提升機輸送,都會使水泥在庫、倉中的堆積密度隨時間而變化;3)水泥從庫、倉頂部送入,使庫、倉內(nèi)呈現(xiàn)彌漫氣霧狀。此外有時入庫、倉時水泥溫度很高,這也是測量水泥料位的一大障礙。鑒于這些原因,在設(shè)計研制儀器時,對(1)、(2)式中的參數(shù)進行了模似測試及理論推算,以期使儀器能對強吸收、高衰減、高溫的水泥物料測量時獲得有效、可靠的使用效果。
根據(jù)以上綜合分析,設(shè)計了超聲波料位儀的儀器工作原理框圖,如圖1所示。
圖1 超聲波料位儀器的原理框圖
微處理器8031是儀器的核心。在軟件的支持下,通過鍵盤可進行人機對話,根據(jù)現(xiàn)場工況條件,進行參數(shù)設(shè)置。由于各現(xiàn)場工況條件差異甚大,特意設(shè)計了一種鑒別真?zhèn)涡盘柕碾娐?。另外,軟件中也增設(shè)了判別信號真?zhèn)蔚墓δ?,進一步保證了測量結(jié)果的準確性。
A/D測溫電路通過接在橋路中的鉑電阻放大再與0809模塊相聯(lián),8031通過它進行溫度采樣運算。
D/A為模擬輸出,輸出4~20mA,也可接記錄儀。
3 換能器
超聲換能器是料位儀的關(guān)鍵部件,它擔負著超聲波的發(fā)射和接收的任務(wù)。
為了獲得高的發(fā)射效率和接收靈敏度以及能長期連續(xù)有效地進行檢測,而其表面不聚集水泥物料,我們選用了縱向-圓盤彎曲復合振動模式的換能器。并在換能器輻射表面采用了特制的耐高溫低聲速材料,使其既能提高發(fā)射效率,又能耐高溫。另外還要考慮水泥料面對聲波的反射強度、聲波路徑傳播損失、接收指向性、現(xiàn)場環(huán)境噪聲以及筒、庫內(nèi)的物料狀態(tài);也不能忽視筒、庫內(nèi)有壓力,物料面反射強度極弱時的狀況。經(jīng)過近兩年來的使用考驗,它能連續(xù)、有效地進行檢測,其表面不會聚集水泥物料,達到了預期目標。
4 工程應(yīng)用
該料位儀安裝和使用方便,只需在料倉或庫頂端開啟一個與換能器直徑一致的孔洞即可,控制儀表安裝在操作室,檢測安全方便。儀表有兩種模塊(按用戶要求任選其一),可以顯示料位高度或料倉內(nèi)料面到庫頂空間高度,每種模式下可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)以實際高度(m)顯示,或百分數(shù)顯示。我們已將這類超聲波物位儀表成功地使用在倉容量分別為一萬噸、一千噸,高度分別為42m、36m的水泥庫上(庫內(nèi)壓力5×105Pa),儀表性能穩(wěn)定、可靠,可實時地反映料庫內(nèi)物料的位置,儀器測量精度可達到全量程的±0.5%。目前,這種超聲波物位儀已經(jīng)在北京、河北以及上海等企業(yè)的水泥倉、庫上應(yīng)用,經(jīng)近兩年來的使用,儀器的故障率幾乎為零,深受用戶歡迎。
表1是2000年4月5日北京城建公司三分公司混凝土攪拌站兩個水泥倉應(yīng)用該料位儀的測試數(shù)據(jù)。
注:1)數(shù)據(jù)為料面至庫頂距離;2)測量間隔時間為10min。
編輯:
監(jiān)督:0571-85871667
投稿:news@ccement.com
本文內(nèi)容為作者個人觀點,不代表水泥網(wǎng)立場。聯(lián)系電話:0571-85871513,郵箱:news@ccement.com。