智能超聲波水泥料位儀的研制及應(yīng)用

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(qiáng)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(jìn)行測量的安全、準(zhǔn)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(dá)到130m)，盲區(qū)1.5m，測量精度可達(dá)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)量具法和溫度傳感器法。我們采用溫度傳感器補(bǔ)償法，它直接由單片機(jī)對溫度采樣運(yùn)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(qiáng)的聲吸收；2)水泥物料在儲存的運(yùn)送過程中無論是采用氣流輸送或是提升機(jī)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(jìn)行了模似測試及理論推算，以期使儀器能對強(qiáng)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(jìn)行人機(jī)對話，根據(jù)現(xiàn)場工況條件，進(jìn)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)涡盘柕碾娐贰Ａ硗?，軟件中也增設(shè)了判別信號真?zhèn)蔚墓δ?，進(jìn)一步保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)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(jìn)行溫度采樣運(yùn)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(dān)負(fù)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(jìn)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(fù)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行檢測，其表面不會聚集水泥物料，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。 

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?jǐn)?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(dá)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。