智能超声波水泥料位仪的研制及应用

引言 

　　水泥厂和混凝土搅拌站的仓内料位是生产过程控制的重要参数之一，水泥行业应用较多的料位计有重锤式料位计、音叉式料位计、电容式料位计、超声波料位计等。重锤式料位计属接触式计量方式，但重锤及其链带易被水泥或生料粉粘裹，且受粉料冲刷，从而造成断带、掉锤头等故障，影响下道工序的安全生产。工业过程控制系统的各种储罐、料仓检测中常用的超声波液位计、料位计，在常压、被测物料对超声波吸收较小，工作环境温度不太高的工况条件下应用的不少，但是，能在储罐、料仓内有压力、被测物料对超声波具有强吸收、高衰减(如水泥等)的工况条件下工作的超声波料位仪尚未见到成功应用的报道。因此，研制能对水泥物料进行测量的安全、准确、大量程超声波物位仪表已成为急需。我们针对这一状况，成功地研制出了一种在水泥储仓或库内即使有5×105Pa压力、温度70℃以上、弥漫雾状工况条件下也能有效工作的超声波水泥料位仪，该仪器量程为42m(刚性面，量程可达到130m)，盲区1.5m，测量精度可达全量程的±0.5%。 

1　工作原理 

　　超声波测量物位是利用声纳原理来确定物料在容器内的位置，是一种在空气中的声纳定位设备。它的工作原理可简述为:超声波换能器发出的超声脉冲，通过空气传到物料的界面，经界面反射回到发射换能器并被其接收。只要测出超声脉冲从发射到接收所用的时间，再根据空气中的声速，就可计算出换能器到物料面的距离，从而确定物位。假定超声换能器到物料面的垂直距离为L，超声波从发射到接收的时间为T，空气中的声速为c，则换能器到物料面的距离为: 
　　L=cT/2　　　　　　　　　　　 (1) 
　　c=331.4+0.61t　(m/s)　　(2) 
式中:t———为摄氏温度，℃。 
　　由于距离L的测量精度与空气声速c、测量时间T的精度有关，而现在对测时的精度可达到10-6s以上，因此L的精度实际上依赖于c的精度。而声速c是一个与温度有关的量，从(2)式可知，温度t每变化1℃，声速近似变化千分之二。如果不对声速c修正， 
　　在测量中就会产生很大的误差。对声速校正的方法有:标准量具法和温度传感器法。我们采用温度传感器补偿法，它直接由单片机对温度采样运算。 

2　仪器的设计 

　　此前的超声波料位仪未能有效地测量水泥料位的原因在于:1)水泥物料对超声波有很强的声吸收；2)水泥物料在储存的运送过程中无论是采用气流输送或是提升机输送，都会使水泥在库、仓中的堆积密度随时间而变化；3)水泥从库、仓顶部送入，使库、仓内呈现弥漫气雾状。此外有时入库、仓时水泥温度很高，这也是测量水泥料位的一大障碍。鉴于这些原因，在设计研制仪器时，对(1)、(2)式中的参数进行了模似测试及理论推算，以期使仪器能对强吸收、高衰减、高温的水泥物料测量时获得有效、可靠的使用效果。 
　　
根据以上综合分析，设计了超声波料位仪的仪器工作原理框图，如图1所示。 
　　 
图1　超声波料位仪器的原理框图 

　　微处理器8031是仪器的核心。在软件的支持下，通过键盘可进行人机对话，根据现场工况条件，进行参数设置。由于各现场工况条件差异甚大，特意设计了一种鉴别真伪信号的电路。另外，软件中也增设了判别信号真伪的功能，进一步保证了测量结果的准确性。 
　　
A/D测温电路通过接在桥路中的铂电阻放大再与0809模块相联，8031通过它进行温度采样运算。 
　　
D/A为模拟输出，输出4～20mA，也可接记录仪。 

3　换能器 

　　超声换能器是料位仪的关键部件，它担负着超声波的发射和接收的任务。 
　　
    为了获得高的发射效率和接收灵敏度以及能长期连续有效地进行检测，而其表面不聚集水泥物料，我们选用了纵向-圆盘弯曲复合振动模式的换能器。并在换能器辐射表面采用了特制的耐高温低声速材料，使其既能提高发射效率，又能耐高温。另外还要考虑水泥料面对声波的反射强度、声波路径传播损失、接收指向性、现场环境噪声以及筒、库内的物料状态；也不能忽视筒、库内有压力，物料面反射强度极弱时的状况。经过近两年来的使用考验，它能连续、有效地进行检测，其表面不会聚集水泥物料，达到了预期目标。 

4　工程应用 

　　该料位仪安装和使用方便，只需在料仓或库顶端开启一个与换能器直径一致的孔洞即可，控制仪表安装在操作室，检测安全方便。仪表有两种模块(按用户要求任选其一)，可以显示料位高度或料仓内料面到库顶空间高度，每种模式下可以通过转换开关以实际高度(m)显示，或百分数显示。我们已将这类超声波物位仪表成功地使用在仓容量分别为一万吨、一千吨，高度分别为42m、36m的水泥库上(库内压力5×105Pa)，仪表性能稳定、可靠，可实时地反映料库内物料的位置，仪器测量精度可达到全量程的±0.5%。目前，这种超声波物位仪已经在北京、河北以及上海等企业的水泥仓、库上应用，经近两年来的使用，仪器的故障率几乎为零，深受用户欢迎。 
　　
表1是2000年4月5日北京城建公司三分公司混凝土搅拌站两个水泥仓应用该料位仪的测试数据。 


注：1)数据为料面至库顶距离；2)测量间隔时间为10min。