智能超聲波水泥料位儀的研制及應用

引言 

　　水泥廠和混凝土攪拌站的倉內料位是生產過程控制的重要參數之一，水泥行業(yè)應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。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用的不少，但是，能在儲罐、料倉內有壓力、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的位置，是一種在空氣中的聲納定位設備。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，而現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、倉內呈現彌漫氣霧狀。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，在設計研制儀器時，對(1)、(2)式中的參數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。 
　　
根據以上綜合分析，設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，根據現場工況條件，進行參數設置。由于各現場工況條件差異甚大，特意設計了一種鑒別真?zhèn)涡盘柕碾娐?。另外，軟件中也增設了判別信號真?zhèn)蔚墓δ?，進一步保證了測量結果的準確性。 
　　
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，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鍵部件，它擔負著超聲波的發(fā)射和接收的任務。 
　　
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、現場環(huán)境噪聲以及筒、庫內的物料狀態(tài)；也不能忽視筒、庫內有壓力，物料面反射強度極弱時的狀況。經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料面到庫頂空間高度，每種模式下可以通過轉換開關以實際高度(m)顯示，或百分數顯示。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(庫內壓力5×105Pa)，儀表性能穩(wěn)定、可靠，可實時地反映料庫內物料的位置，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在北京、河北以及上海等企業(yè)的水泥倉、庫上應用，經近兩年來的使用，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用該料位儀的測試數據。 


注：1)數據為料面至庫頂距離；2)測量間隔時間為10min。