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

摘要：大型火力發(fā)電廠“飛灰／底渣島”物位測(cè)量傳感器的選型與應(yīng)用資訊由優(yōu)秀的流量計(jì)、流量儀生產(chǎn)報(bào)價(jià)廠家為您提供。1概述 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)。更多的流量計(jì)廠家選型號(hào)價(jià)格報(bào)價(jià)歡迎您來電咨詢，下面是大型火力發(fā)電廠“飛灰／底渣島”物位測(cè)量傳感器的選型與應(yīng)用文章詳情。

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)適用于電廠灰?guī)?、脫水倉的新型物位測(cè)量傳感器已成為關(guān)鍵。物位測(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)接口中有著重要的地位。

2物位測(cè)量傳感器的分類及其原理

物位測(cè)量傳感器可分為：測(cè)量物位連續(xù)變化的傳感器和測(cè)量以狀態(tài)為目標(biāo)的開關(guān)式傳感器。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?，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3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)。

2.1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zui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。

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（10-9s）的回波信號(hào)，并在極短的一瞬間分析處理回波圖。

2.2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)。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)c。

2.3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。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）的距離，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。zui小介電常數(shù)之差約為0.5，即物料的zui小介電常數(shù)約為1.5。

3三種新型連續(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

3.1雷達(dá)測(cè)量傳感器的功能分析及PLC接口

3.1.1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3600000/s個(gè)回波圖放大、定位，然后分別進(jìn)行整合、判斷，以每0.1s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：被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性；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。

3.1.2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)量效率高。能探測(cè)到比10-9s還短的雷達(dá)信號(hào)運(yùn)行時(shí)間，它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0.1s重新給出物位?；趦蓚€(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。

3.1.3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。

3.1.4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。

3.2相位跟蹤測(cè)量傳感器的功能分析及PLC接口

3.2.1功能特點(diǎn)

相位跟蹤法是通過測(cè)量發(fā)送RF（RadioFrequency）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)，然后再返回頂部與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)，與介電常數(shù)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。

3.2.2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?，其測(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?；介電常?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、物料被攪拌的影響。

3.2.3輸出信號(hào)與PLC的接口

H=Ho-L=Ho-[V／（2△f）]

式中：

H為料倉中料位高度；

Ho為料倉總高（探頭長度）；

L為探頭頂部到料面的距離；

V為速度；

△f為f2與f1的頻率差。

因?yàn)閂是固定的值，可不需現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。采用智能傳感器控制掃頻過程，測(cè)出頻率（f2，f1），就能自動(dòng)計(jì)算出料倉內(nèi)的料位高度H。

智能化測(cè)量算法采用自校核技術(shù)；用PCBUS診斷軟件進(jìn)行RS232C數(shù)據(jù)口通迅，提供就地指示、控制接點(diǎn)，4～20mA輸出及2個(gè)串行數(shù)據(jù)器，可分行供RS232/RS485使用。

3.2.4應(yīng)用場(chǎng)合

不需對(duì)溫度及壓力進(jìn)行補(bǔ)償。因射頻波可以固定的速度在真空、空氣中傳播，它不受溫度、壓力、灰塵的影響。相位跟蹤需要的能量很小，它的本質(zhì)是安全的。

3.3超聲波跟蹤測(cè)量傳感器的功能分析及PLC接口

3.3.1功能特點(diǎn)

非接觸式超聲波物位測(cè)量系統(tǒng)由兩部分組成：一個(gè)超聲波信號(hào)換能器和一個(gè)遠(yuǎn)距安裝的電子發(fā)收器。換能器不斷發(fā)射一系列的超聲波脈沖并接收自被監(jiān)測(cè)的液體或固體表面返回的反射回波。發(fā)收器中的微處理器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成距離、物位或體積，并將此數(shù)據(jù)作為LCD數(shù)字讀數(shù)顯示。

超聲波換能器具有內(nèi)藏式溫度補(bǔ)償和高輸出的特點(diǎn)，可提高自清潔能力。采用可增強(qiáng)換能器靈敏度的動(dòng)態(tài)阻抗匹配（完美的發(fā)射／接收匹配）以使回波幅度達(dá)到zui大。

在理想條件下，監(jiān)測(cè)一個(gè)容器中的液體或料位，接收來自反射表面的單個(gè)強(qiáng)回波是一個(gè)簡單的過程。但在實(shí)際應(yīng)用中，來自擾動(dòng)、粉塵和來自虛假目標(biāo)幻影的回波、泡沫、蒸汽及因距離產(chǎn)生的聲衰減效應(yīng)等許多因素，使測(cè)量工況變得復(fù)雜，這是限制系統(tǒng)測(cè)量能力的一部分?，F(xiàn)在的聲波智能TM回波處理軟件，加上新的換能器，可以彌補(bǔ)以前超聲波傳感器不能涉足的場(chǎng)合。

3.3.2分析處理

（1）電子單元中樞，聲波智能TM軟件使AiRangerDPLPlus和XPLPlus具有獨(dú)特的回波包絡(luò)線數(shù)字化，以區(qū)別由固體或液體表面反射的“真正”回波與由容器障礙物和聲學(xué)或電氣噪聲產(chǎn)生的虛假回波。

（2）人工智能。為適應(yīng)工況條件變化采用高可靠性處理原始回波包絡(luò)線的軟件。該軟件采用曲線成形、統(tǒng)計(jì)分析、回波再造和數(shù)字濾波器等特殊技術(shù)來消除電氣干擾和窄回波的影響。由于回波包絡(luò)線被不斷貯存和刷新，包絡(luò)線的平均化減小了隨機(jī)聲波反射的影響。識(shí)別和剔除來自容器障礙物的幻影、焊縫的回波形狀、電氣尖峰的上升時(shí)間、攪拌器葉片的隨機(jī)聲波反射，重新構(gòu)造因由振動(dòng)和凹凸不平的表面所引起的破碎回波，確保惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定測(cè)量。

3.3.3輸出信號(hào)與PLC的接口

（1）預(yù)設(shè)置和微調(diào)

DPLPlus和XPLPlus系統(tǒng)出廠前已預(yù)設(shè)定值，滿足各種固體和液體應(yīng)用場(chǎng)合的要求，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際的固體或液體選擇，并輸入容器尺寸，控制單元即可啟動(dòng)和運(yùn)行。

（2）編程簡單

用快速啟動(dòng)軟件可進(jìn)一步對(duì)特定的過程的“細(xì)調(diào)”。通過快速編程選擇所需的工程單位（％，ftm等）顯示物位、空間、距離或體積，調(diào)整對(duì)任何倉罐中的物位變化的跟蹤速度。在設(shè)置和運(yùn)行時(shí)可觀察編程值，不必查詢它關(guān)閉過程或不同顯示模式之間的切換，以通訊轉(zhuǎn)換器選件BICll為兩種控制單元提供同樣的連接至主機(jī)、PLC/DCS系統(tǒng)。

3.3.4應(yīng)用場(chǎng)合

超聲波換能器被熔接密封在材料Kynar的外殼中。不同場(chǎng)合應(yīng)用選擇不同材料系列，額定溫度范圍為-40～150℃（-40～302'F），測(cè)量距離為10m（33ft）～60m（200ft）。檢測(cè)物料以飛灰為例。選擇溫度范圍為-40～95℃（-40～203'F），測(cè)量距離為10m（33ft）～40m（130ft）?？蓾M足苛刻的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境。并在高溫、潮濕、粉塵中獲得zui大的聲功率輸出。

4選型設(shè)計(jì)應(yīng)用的基本原則

（1）應(yīng)用條件

適應(yīng)測(cè)量液體或固體的物位及到被測(cè)介質(zhì)的距離，發(fā)射能量很小，不影響人體安全，可以在真空條件下測(cè)量，可以測(cè)量所有介電常數(shù)>1.5的介質(zhì)。

（2）測(cè)量精度

測(cè)量分辨率<1mm，量程≥0～35m，精度<0.1％，無溫度時(shí)間漂移；材質(zhì)穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確。

（3）適應(yīng)性強(qiáng)

不受噪音、蒸汽、粉塵、混合氣體和氣體夾層的影響，不受介質(zhì)密度和溫度的影響；非接觸測(cè)量，耐磨損工作壓力≥64bar，介質(zhì)溫度超過1000℃；堅(jiān)固耐用，耐化學(xué)腐蝕。

（4）功能完整

1）兩線制技術(shù)：0/4～20mA輸出或數(shù)字型輸出共用同一根兩芯線纜；

2）任意聯(lián)網(wǎng)，一根兩芯線纜上可以連接15個(gè)傳感器（數(shù)字型輸出）

3）可以連接任何符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通訊口的BUS系統(tǒng)；

4）測(cè)量傳感器可帶一體式顯示，可以單獨(dú)顯示。

（5）維護(hù)簡單

免維護(hù)，電源合理，調(diào)試方便。

5應(yīng)用實(shí)例

5.1灰位測(cè)量

灰?guī)焓菚捍骘w灰的zui后區(qū)域，土砼結(jié)構(gòu)，庫內(nèi)存在著高溫、潮濕、粉塵粘附等因素。監(jiān)測(cè)灰?guī)旎椅坏淖兓兄谡麄€(gè)飛灰系統(tǒng)的正常輸送，灰位測(cè)量的正確與否是和輸灰控制系統(tǒng)構(gòu)成連鎖的關(guān)鍵條件之一。原傳統(tǒng)的灰位測(cè)量傳感器大多統(tǒng)配置重錘式、電容式，其精度及輸出信號(hào)是能夠滿足與PLC標(biāo)準(zhǔn)接口要求的。但實(shí)際應(yīng)用受一定條件的限制，尤其不適應(yīng)封閉式灰?guī)斓臋z測(cè)，經(jīng)常發(fā)生斷錘、埋錘等現(xiàn)象。

作者曾在4x300MW機(jī)組電廠參加過1#/2#爐細(xì)灰?guī)煳镂粶y(cè)量傳感器的技術(shù)改造，將射頻導(dǎo)納式測(cè)量替代原重錘式測(cè)量。據(jù)介紹，其探極由TWFLE材料特制而成，可不受灰?guī)旆蹓m飛揚(yáng)粘附的影響，且具有拆卸方便，安裝靈活（即二次儀表壞，不影響探極）等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過一段時(shí)間的試用證明效果并不理想，數(shù)據(jù)漂移嚴(yán)重，甚至在顯示上出現(xiàn)“死”數(shù)據(jù)現(xiàn)象。后在3#/4#爐粗、細(xì)灰?guī)旆謩e改用相位跟蹤測(cè)量和雷達(dá)式測(cè)量傳感器取得了比較理想的效果?；?guī)旎椅粶y(cè)量選用MILLTRONICSDE的AirangerSPL-519單點(diǎn)抗粉塵超聲波測(cè)量傳感器，測(cè)量范圍在15m左右，使用效果不錯(cuò)。

5.2脫水倉測(cè)量

脫水倉是一個(gè)水渣（泥漿）混和物容于一體的敞開式容器。以前的設(shè)計(jì)僅在于對(duì)倉內(nèi)液位變化作簡單的測(cè)量，其輸出信號(hào)不參與系統(tǒng)聯(lián)鎖，故這一測(cè)量裝置僅起報(bào)警作用，大多選用重錘式料位測(cè)量傳感器，應(yīng)用效果并不理想。而實(shí)際真正需測(cè)量的是渣位（灰水混合物）的變化，現(xiàn)在改用Sensall4901SL型污泥／泥漿音叉式控制。

該傳感探頭為一不銹鋼結(jié)構(gòu)及氣密的“C”型傳感器。傳感器包含兩只超聲波變送器，相互分開成規(guī)定的間隔，構(gòu)成超聲波系統(tǒng)的發(fā)送與接收。當(dāng)發(fā)送的超聲波信號(hào)通過含有懸浮固態(tài)、液態(tài)時(shí)，比通過清水有較大程度的衰減，通過超聲波信號(hào)振幅的增加與減小，激活繼電器的動(dòng)作，輸出信號(hào)，激活外部設(shè)備（脫水倉放渣門）動(dòng)作，同PLC構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)控制，基本能滿足工藝要求。

6結(jié)束語

選型設(shè)計(jì)“飛灰／底渣島”物位測(cè)量傳感器是熱工自動(dòng)控制的一個(gè)新課題，作者根據(jù)多年參加大型火力發(fā)電廠“飛灰腋渣島”建設(shè)及檢修的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)“飛灰／底渣島”物位測(cè)量傳感器的選型設(shè)計(jì)提出三條建設(shè)性的意見：

（1）滿足工藝要求，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況條件；

（2）輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接口控制簡單；

（3）抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)方便。

結(jié)合電廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工況，全面提高物位測(cè)量傳感器的檢測(cè)水平，是清潔發(fā)電、安全發(fā)電工作實(shí)踐獲得成功的必然條件。

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