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????? 大型火力發(fā)電廠“飛灰/ 底渣島”物位測(cè)量傳感器的選型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

????? 大型火力發(fā)電廠飛灰/ 底渣島灰?guī)臁⒚撍畟}的物位檢測(cè)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(chǎng)合較特殊，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(cè)量傳感器仍是一件不容易的事。本文以600MW 大型火
力發(fā)電廠飛灰/ 底渣島的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例為背景，從物位測(cè)量傳感器的測(cè)量原
理，選型設(shè)計(jì)、新技術(shù)應(yīng)用、PLC / DCS 接口等多角度去判斷、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(cè)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(cè)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(cè)量，
特別是非接觸式連續(xù)測(cè)量一直是物位測(cè)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(cè)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)臁⒚撍畟}的新型物
位測(cè)量傳感器，并應(yīng)用成功已成為關(guān)鍵。物位測(cè)量傳感器作為一種特殊的測(cè)量傳
感器可測(cè)量不同介質(zhì)的物位勢(shì)能。它在PLC / DCS 系統(tǒng)接口中有著非常重要的地
位。

????? 1 　物位測(cè)量傳感器的分類及其原理

????? 物位測(cè)量傳感器可分兩大類：一類是測(cè)量物位連續(xù)變化的傳感器：另一類
是測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量原理

????? 雷達(dá)測(cè)量應(yīng)用發(fā)射－反射－接收測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)。電磁場(chǎng)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(cè)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?chǎng)延伸到測(cè)量傳感器兩根導(dǎo)線的外部，所以探頭的阻抗取決于周圍
介質(zhì)的介電常數(shù)ε。

????? 1.3 　超聲波測(cè)量原理

????? 它是一種非接觸式的物位測(cè)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(cè)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(cè)量傳感器到液面（粉體表面）所距離，
即測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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)用特殊的調(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、判斷，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(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(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性；②。
被測(cè)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(cè)量。

????? 雷達(dá)測(cè)量傳感器可以測(cè)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

????? ①智能自動(dòng)

????? 雷達(dá)測(cè)量傳感器采用先進(jìn)的電子部件，測(cè)量效率很高。能夠探測(cè)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(cè)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(cè)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。

????? ②計(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(gè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)和實(shí)際的
回波圖，測(cè)量傳感器在很短的時(shí)間內(nèi)作出決定。標(biāo)有ECHOFOX ？的測(cè)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(cè)量傳感器的信號(hào)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(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(cè)
量或PLC / DCS 系統(tǒng)；

????? ②　與測(cè)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(cè)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(cè)量精度高，誤差小。

????? 2.1.4 應(yīng)用場(chǎng)合

????? 雷達(dá)式測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量常溫、常壓下保持穩(wěn)定。在粒狀和粉狀物料中，這種測(cè)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(cè)的影響亦較小。
測(cè)量液體時(shí)，不受液體種類、比重變化、介電常數(shù)及液體在探頭上凝結(jié)物的影響。

????? 2.2.2 　分析處理

????? 料倉測(cè)量過程與物料性質(zhì)無關(guān)，這是解決多年物料測(cè)量難點(diǎn)的重大突破。
因?yàn)榘聪辔桓櫾恚錅y(cè)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(cè)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?BR>數(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(cè)量原理可以在介電常數(shù)變化的條件下工作。另外，因?yàn)槌錆M粉塵的空氣
和粘附在探頭的物料，它們所占據(jù)的空間，與探頭周圍的測(cè)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(cè)量中的干擾均不會(huì)影響相位跟蹤法的測(cè)量精度。RF
波本身的檢測(cè)特點(diǎn)決定相位跟蹤物位檢測(cè)傳感器可不受罐內(nèi)溫度變化、物料被攪
拌的的影響