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????? 大型火力發(fā)電廠“飛灰/ 底渣島”物位測量傳感器的選型設計與應用

????? 大型火力發(fā)電廠飛灰/ 底渣島灰?guī)?、脫水倉的物位檢測是當今世界物位制
造廠商共同面臨的難題之一，因其應用場合較特殊，很難捕捉溫度、壓力、輸料
速率、介電常數(shù)等工質變化規(guī)律，且沒有現(xiàn)成的控制模式可參照。所以說要真正
選型設計好、應用好物位測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/ 底渣島的生產現(xiàn)場應用實例為背景，從物位測量傳感器的測量原
理，選型設計、新技術應用、PLC / DCS 接口等多角度去判斷、分析、解決實際
問題，提出新的思路與建議，與廣大工程技術人員共同探討。

????? 關鍵詞：物位測量　應用技術　選型設計

????? 隨著自動控制高新技術的發(fā)展，連續(xù)式物位測量傳感器在電站、石化、油
田等工業(yè)領域得到廣泛的應用。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的難題，應用在火力發(fā)電廠飛灰/
底渣島灰?guī)?、脫水倉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；如何合理選型設計好適用于電廠灰?guī)?、脫水倉的新型物
位測量傳感器，并應用成功已成為關鍵。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的物位勢能。它在PLC / DCS 系統(tǒng)接口中有著非常重要的地
位。

????? 1 　物位測量傳感器的分類及其原理

????? 物位測量傳感器可分兩大類：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)為目標的開關式傳感器（即物位開關）。連續(xù)式測量傳感器主要用
于連續(xù)控制的料倉、灰?guī)斓确矫妫袝r也可用于多點報警系統(tǒng)；開關式物位測量
傳感器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
感器的基本原理、PLC/DCS 接口及應用技術。

????? 1.1 　雷達測量原理

????? 雷達測量應用發(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表面的距離以及物位成比例。
（見圖1 ）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，天線系統(tǒng)作為接收裝置使
用；傳感器分析處理運行時間 <；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。

????? 1.2 　相位跟蹤測量原理

????? 相位跟蹤原理利用高頻傳輸線作為探頭。探頭由兩根平行導線組成，垂直
懸掛在貯罐內。（見圖2 ）電子部件沿測量傳感器發(fā)送一個高頻正弦波，這一正
弦波產生一個電磁場。電磁場同時繞兩根導線移動。這一信號以一個恒定的速度
向料面移動，到達料面處，該信號被反射并以相同的速度往回移動。該信號之所
以會從料面反射回來，是因為測量傳感器的阻抗在空氣與物料的介面處發(fā)生了突
變。因為電磁場延伸到測量傳感器兩根導線的外部，所以探頭的阻抗取決于周圍
介質的介電常數(shù)ε。

????? 1.3 　超聲波測量原理

????? 它是一種非接觸式的物位測量傳感器，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。（見圖3 ）設聲速
一定，根據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）所距離，
即測量出液面（粉體表面）位置。其傳感元件有二種，一種是由線圈、磁鐵和膜
構成的，另一種是由壓電式磁致伸縮材料構成的。前者產生10KHZ 的超聲波，后
者產生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
產生一個回波。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)物位測量傳感器的功能特點、PLC 接口技術的分析比較

????? 2.1 　雷達測量傳感器的功能分析及PLC 接口

????? 2.2.1 　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表面的距離。不同的距離
對應不同的物位。應用特殊的調整間隔時間技術，將每秒種3 ，600 ，000 個回
波圖放大、定位，然后分別進行整合、判斷，以每0.1 秒精確地分析處理這些被
放大的回波信號，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。被測介質的導電性；②。
被測介質的介電常數(shù)；所有導電的介質都能很好地反射雷達信號，盡管介質的導
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質電常數(shù)> ；1.5 的介質（空氣的介電
常數(shù)是1 ）。介質的導電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號的反射效果越好。

????? 2.1.2 　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應用于智能信
號分析處理。

????? 它的參數(shù)可以被調整并存儲在一個記憶存儲器里。內置一個數(shù)據庫支持此
記憶存儲器，數(shù)據庫內有多年來雷達物位測量的經驗參數(shù)。與人類記憶相似，數(shù)
據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

????? 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)據庫的數(shù)據和實際的
回波圖，測量傳感器在很短的時間內作出決定。標有ECHOFOX ？的測量傳感器可
以根據經驗參數(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。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。

????? 2.1.4 應用場合

????? 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的物位，應用于灰粉、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的功能分析及PLC 接口

????? 2.2.1 功能特點：

????? 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。RF波是在一根垂直懸掛在料倉內的傳輸線
（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，
與介電常無關。因為RF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
程物位測量常溫、常壓下保持穩(wěn)定。在粒狀和粉狀物料中，這種測量方法不受加
料過程中粉塵、氣力輸送中空氣擾動的影響，罐內的粉塵對其檢測的影響亦較小。
測量液體時，不受液體種類、比重變化、介電常數(shù)及液體在探頭上凝結物的影響。

????? 2.2.2 　分析處理

????? 料倉測量過程與物料性質無關，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。料位測量的結果不取決于料倉內電容或導電率的物理特性；介電常
數(shù)的變化僅改變反射信號（Rx）的幅值，而不改變Tx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、料倉的結構，
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溫度變化、物料被攪
拌的的影響