作者：梁国建　

摘要：年夜型火力发电厂"飞灰/底渣岛"灰库、脱水仓的物位检测是现今物位制造厂商配合面临的难题，因其运用场所较非凡，很难捕捉温度、压力、输料速度、介电常数等工变化纪律，且没有现成的控制模式可参照。所以说要真正选型设计好、运用好物位丈传感器仍是一件不轻易的事。本文以600MW年夜型火力发电厂"飞灰/底渣岛"的生产现场运用实例为布景，从物位丈传感器的丈原理，选型设计、新技术运用、PLC/DCS接口等多角度往判定、分析、解决现实问题，提出新的思绪与建议，与广年夜工程技术人员配合探讨。
要害词：物位丈　运用技术　选型设计
随着自动控制高新技术的成长，接连式物位丈传感器在电站、石化、油田等工领域获得普遍的运用。固体颗粒、灰粉和泥浆夹杂物的料（液）位丈，非凡长短接触式接连丈一直是物位丈技术的难题，运用在火力发电厂"飞灰/底渣岛"灰库、脱水仓料位检测的问题加倍突出。它始终存在粉尘粘性年夜、温度偏高、介电常数小等问题；若何合理选型设计好适用于电厂灰库、脱水仓的新型物位丈传感器，并运用成功已成为要害。物位丈传感器作为一种非凡的丈传感器可丈分歧介的物位势能。它在PLC/DCS系统接口中有着很是重要的地位。
1　物位丈传感器的分类及其原理
物位丈传感器可分两年夜类：一类是丈物位接连变化的传感器：另外一类是丈以状态为方针的开关式传感器（即物位开关）。接连式丈传感器主要用于接连控制的料仓、灰库等方面，有时也可用于多点报警系统；开关式物位丈传感器主要用于顺序控制的限位,报警等。下面主要介绍三种接连式物位丈传感器的基来源根基理、PLC/DCS接口及运用技术。
1.1　雷达丈原理
雷达丈运用"发射－反射－接收"丈原理。雷达传感器的天线以波束的形式发射小5.8GHZ的雷达旌旗灯号，反射回来的回波旌旗灯号仍由天线接收；雷达脉冲旌旗灯号从发射到接收的运行时间与丈传感器到介概况的距离和物位成比例。（见图1）一束雷达脉冲的发射时间为1ns，每隔277ns天线系统发射一束脉冲旌旗灯号。脉冲波束的频率是3.6MHZ，在发射距离时间内，天线系统作为接收装配使用；传感器分析处置运行时间<十亿分秒的回波信号，并在极短的一瞬间分析处理回波图。
1.2　相位跟踪丈原理
相位跟踪原理哄骗高频传输线作为探头。探头由两根平行导线组成，垂直悬挂在贮罐内。（见图2）电子部件沿丈传感器发送一个高频正弦波，这一正弦波发生一个电磁场。电磁场同时绕两根导线移动。这一旌旗灯号以一个恒定的速度向料面移动，到达料面处，该旌旗灯号被反射并以不异的速度往回移动。该旌旗灯号之所以会从料面反射回来，是由于丈传感器的阻抗在空气与物料的介面处发生了突变。由于电磁场延长到丈传感器两根导线的外部，所以探头的阻抗取决于四周介的介电常数ε。
1.3　超声波丈原理
它是一种非接触式的物位丈传感器，其原理是工作时向液面或粉体概况发射一束超声波，被其反射后，丈传感器再接收此反射波。（见图3）设声速一定，凭据声波往返的时间就能够计较出丈传感器到液面（粉体概况）所距离，即丈出液面（粉体概况）位置。其传感元件有二种，一种是由线圈、磁铁和膜组成的，另外一种是由压电式磁致伸缩材料组成的。前者发生10KHZ的超声波，后者发生20－40KHZ的超声波。超声波的频率愈低，距离的衰减愈小，但反射效率也小。
一般地说，在空气（或真空中），介电常数等于1，在所有其物料中，介电常数总是比1年夜。是以，在空气与物料的介面上，由于介电常数的差异，总会发生一个回波。小介电常数之差约为0.5，即物料的小介电常数约为1.5。
2　三种新型接连物位丈传感器的功能特点、PLC接口技术的分析比力
2.1　雷达丈传感器的功能分析及PLC接口
2.2.1　功能特点：
雷达传感器接连，非接触丈传感器探头到介概况的距离。分歧的距离对应分歧的物位。运用非凡的"调整距离时间"技术，将每秒种3，600，000个回波图放年夜、定位，然后划分进行整合、判定，以每0.1秒切确地分析处置这些被放年夜的回波旌旗灯号，节省份析频率的时间。雷达旌旗灯号是一种非凡形式的电磁波，其物理特征与可见光相似。凭据子论概念：雷达旌旗灯号可以穿透空间，传布速度相当于光速。
雷达旌旗灯号是否可以被反射，取决于两个身分：①。被测介的导电性；②。被测介的介电常数；所有导电的介都能很好地反射雷达旌旗灯号，虽然介的导电性不是很好，也能被很准确地丈。
雷达丈传感器可以丈所有介电常数>1.5的介（空气的介电常数是1）。介的导电性越好或介电常数越年夜，回波旌旗灯号的反射效果越好。
2.1.2　分析处置
①智能自动
雷达丈传感器采用进步前辈的电子部件，丈效率很高。能够探测到比十亿分还短的雷达旌旗灯号运行时间，还将多年的物位及雷达丈技术运用于智能旌旗灯号分析处置。
它的参数可以被调整并存储在一个记忆存储器里。内置一个数据库支持此记忆存储器，数据库内有多年来雷达物位丈的经验参数。与人类记忆相似，数据库的记忆是持久记忆，历史存储器相当于短时记忆，雷达旌旗灯号的图片相当于瞬时记忆。
②计较几率
ECHOFOX?依照计较几率的方式（模糊逻辑）接连快速计较和判定，哪些回波图是准确的，而且每0.1秒重新给出物位。基于两个数据库的数据和现实的回波图，丈传感器在很短的时间内作出决议。标有ECHOFOX?的丈传感器可以凭据经验参数分辨有用回波和子虚回波，并将子虚回波滤出。
2.1.3　输出旌旗灯号与PLC的接口
丈传感器的旌旗灯号输出和传输十分重要。有两种输出：
①与物位成比例的0/4~20mA模拟旌旗灯号；
0/4~20mA模拟旌旗灯号是一种通用的尺度旌旗灯号。适用于设计单点模拟丈或PLC/DCS系统；
②　与丈值成比例的数字型旌旗灯号；
数字型旌旗灯号传输适用于年夜型丈系统，带数字型输出的传感器可以肆意联网。一根两芯线缆上可以毗连5~15个传感器（数字型输出）
数字型输出的特点是丈精度高，误差小。
2.1.4运用场所
雷达式丈传感器不受温度、压力、气体等条件的限制和影响，可无接触、切确地丈分歧介的物位，运用于灰粉、固态颗粒、高温等各类工况，平安且节省能源。在现实运用中，雷达料位的发射功率很是小，经由过程金属容器外壁可以将雷达旌旗灯号完全隔离。（静电屏障）
2.2相位跟踪丈传感器的功能分析及PLC接口
2.2.1功能特点:
相位跟踪法是经由过程丈发送RF（RadioFrequency）射频波与从物料概况反射回波之间的相位角来丈物位的。RF波是在一根垂直悬挂在料仓内的传输线（即传感元件）中传布的。发送RF波与反射波之间的相移是RF波沿传输线向料面移动，然后再返回顶部时所走过的距离直接怀抱。该丈方式取决于物料的性，与介电常无关。由于RF波的传布不随压力和温度条件变化，所以物料读数将在进程物位丈常温、常压下连结稳定。在粒状和粉状物料中，这类丈方式不受加料进程中粉尘、气力输送中空气扰动的影响，罐内的粉尘对其检测的影响亦较小。丈液体时，不受液体种类、比重变化、介电常数及液体在探头上凝聚物的影响。
2.2.2　分析处置
料仓丈进程与物料性无关，这是解决多年物料丈难点的重年夜突破。由于按相位跟踪原理，其丈的是物料上面空间的高度，而不是物料自己，所以与物料无关。料位丈的成效不取决于料仓内电容或导电率的物理特征；介电常数的变化仅改变反射旌旗灯号（Rx）的幅值，而不改变Tx与Rx之间的相位。是以，哄骗这个丈原理可以在介电常数变化的条件下工作。另外，由于布满粉尘的空气和粘附在探头的物料，它们所占据的空间，与探头四周的丈空间相比是眇乎小哉的，故加料进程中的粉尘及因温度变化而引发的介电常数的变化、料仓的结构，如高度、直径等这些固体料丈中的干扰均不会影响相位跟踪法的丈精度。RF波自己的检测特点决议相位跟踪物位检测传感器可不受罐内温度变化、物料被搅拌的的影响。
2.2.3　输出旌旗灯号与PLC的接口
凭据公式：，
H：料仓中料位高度，
Ho：料仓总高（探头长度），
L：探头顶部到料面的距离，
V：速度，
：f2与f1的频率差。
由于V是固定的值，可不需现场校准。采用智能传感器控制扫频进程，测出频率（f2,f1），就能自动计较出料仓内的料位高度H。
智能化丈算法采用自校核技术；用PCBUS诊断软件进行RS232C数椐口通迅，提供就地指示、控制接点，4~20mA输出及2个串行数椐器，可分行供RS232/RS485使用。
2.2.4　运用场所
不需对温度及压力进行抵偿。因射频波可以固定的速度在真空、空气中传布，它不受温度、压力、灰尘的影响。相位跟踪需要的能很小，它的本是平安的。
2.3　超声波跟踪丈传感器的功能分析及PLC接口
2.3.1功能特点
非接触式超声波物位丈系统由两部门组成：一个超声波旌旗灯号换能器和一个远距安装的电子发收器。换能器不竭发射一系列的超声波脉冲并接收自被监测的液体或固体概况返回的反射回波。发收器中的微处置器将旌旗灯号转换成距离、物位或体积，并将此数据作为LCD数字读数显示。
超声波换能用具有内躲式温度抵偿和高输出的特点，可提高自清洁能力。采用可增强换能器活络度的动态阻抗匹配（完善的发射/接收匹配）以使回波幅度到达年夜。
在理想条件下，监测一个容器中的液体或料位，接收来自反射概况的单个强回波是一个简单的进程。但在现实运用中，来自扰动、粉尘和来自子虚方针幻影的回波、泡沫、蒸气及因距离发生的声衰减效应等许多身分，使丈工况变得复杂；这是限制系统丈能力的一部门。现在的声波智能TM回波处置软件，加上新的换能器，可以弥补之前超声波传感器不能涉足的场所。
2.3.2分析处置
①电子单元中枢，声波智能TM软件使AiRangerDPLPlus和XPL　Plus具有怪异的回波包络线数字化，以区分由固体或液体概况反射的"真正"回波与由容器障碍物和声学或电气噪声发生的子虚回波。
②人工智能为顺应工况条件变化采用高靠得住性处置原始回波包络线的软件，该软件采用曲线成形、统计分析、回波再造和数字滤波器等非凡技术来消除电气干扰和窄回波的影响。由于回波包络线被不竭贮存和刷新，包络线的平均化减小了随机声波反射的影响。识别和剔除来自容器障碍物的幻影、焊缝的回波外形、电气尖峰的上升时间、搅拌器叶片的随机声波反射；重新机关因由振动和凹凸不服的概况所引发的破碎回波，确保恶劣情况下的稳定丈。
2.3.3输出旌旗灯号与PLC的接口
①预设置和微调
DPL　Plus和XPLPlus系统出厂前已预设定值，知足各类固体和液体运用场所的要求，在现场凭据现实的固体或液体中选择，并输进容器尺寸，控制单元即可启动和运行。
②编程简单
用快速启动软件可进一步对特定的进程的"细调"。经由过程快速编程选择所需的工程单元（，ftm等）显示物位、空间、距离或体积，调整对任何仓罐中的物位变化的跟踪速度。在设置和运行时可观察编程值，没必要查询它关闭进程或分歧显示模式之间的切换；以通讯转换器选件BIC11为两种控制单元提供一样的毗连至主机、PLC/DCS系统。
2.3.4运用场所
超声波换能器被熔接密封在材料Kynar的外壳中。分歧场所运用选择分歧材料系列，额定温度范围为－40~150℃（－40~302°F），丈距离为10m（33ft）~60m（200ft）。检测物料以飞灰为例。选择温度范围为－40~95℃（－40~203°F），丈距离为10m（33ft）~40m（130ft）。可知足刻薄的现场工作情况。并在高温、湿润、粉尘中获得年夜的声功率输出。
3　选型设计运用的基来源根基则
①运用条件：顺应丈液体或固体的物位及到被测介的距离，发射能很小，不影响人体平安，可以在真空条件下丈，可以丈所有介电常数＞1.5的介；
②丈精度：丈分辨率<1mm，程≥0~35m，精度<0。1，无温度时间漂移；材稳定，测准确；
③顺应性强：不受噪音、蒸汽、粉尘、夹杂气体和气体夹层的影响，不受介密度和温度的影响；
非接触丈，耐磨损工作压力≥64bar，介温度跨越1000℃；坚忍耐用，耐化学侵蚀；
④功能完整
(A)两线制技术：0/4~20mA输出或数字型输出共用统一根两芯线缆；
(B)肆意联网，一根两芯线缆上可以毗连15个传感器（数字型输出）；
(C)可以毗连任何合适尺度协议通讯口的BUS系统；
(D)丈传感器可带一体式显示，可以零丁显示。
⑤维护简单：免维护，电源合理，调试利便。
4　运用实例
①灰位丈
灰库是暂存飞灰的后区域，土砼结构，库内存在着高温、湿润、粉尘粘附等身分。监测灰库灰位的变化有助于整个飞灰系统的正常输送，灰位丈的准确与否是和输灰控制系统组成连锁的要害条件；原传统的灰位丈传感器年夜多统设置装备摆设重锤式、电容式，其精度及输出旌旗灯号是能够知足与PLC尺度接口要求的。但现实运用受一定条件的限制，尤其不顺应封锁式灰库的检测，经常发生断锤、埋锤等现象。作者曾在4×300MW机组电厂加入过1＃/2＃炉细灰库物位丈传感器的技术改造，将射频导纳式丈替换原重锤式丈。据介绍，其探极由TWFLE材料特制而成，可不受灰库粉尘飞扬粘附的影响，且具有拆卸利便，安装灵活（即二次仪表坏，不影响探极）等点。经过一段时间的试用证实效果其实不理想，发现数据漂移严重，甚至在显示上泛起"死"数据的现象。后在3＃/4＃炉粗、细灰库划分改用相位跟踪丈和雷达式丈传感器取得了比力理想的效果。本厂灰库灰位丈选用MILLTRONICSDE的AirangerSPL--519单点抗粉尘超声波丈传感器，丈范围在15m左右，今朝使用效果不错。
②脱水仓丈
脱水仓是一个水渣（泥浆）混和物容于一体的敞开式容器。之前的设计仅在于对仓内液位变化作简单的丈，其输出旌旗灯号不参于系统联锁，故这一丈装配仅起报警作用，年夜多选用重锤式料位丈传感器，运用效果其实不理想。而现实真正需丈的是渣位（灰水夹杂物）的变化，现在改用Sensall4901SL型污泥/泥浆音叉式控制。该传感探头为一不锈钢结构及气密的"C"型传感器。传感器包括2只超声波变送器，相互分隔成划定的距离，组成超声波系统的发送与接收。当发送的超声波旌旗灯号经由过程含有悬浮固态、液态时，比经由过程清水有较年夜水平的衰减，经由过程超声波旌旗灯号振幅的增加与减小，激活继电器的动作，输出旌旗灯号，激活外部装备（脱水仓放渣门）动作，同PLC组成一个完整的闭环控制，基本能知足工艺要求。
竣事语
选型设计好"飞灰/底渣岛"物位丈传感器是热工自动控制的一个新课题，作者凭据多年加入年夜型火力发电厂"飞灰/底渣岛"建设及检修的工作经验，对"飞灰/底渣岛"物位丈传感器的选型设计提出三条建设性的定见①知足工艺要求，顺应现场工况条件；②输出尺度旌旗灯号，接口控制简单；③抗干扰能力强，维护利便。连系电厂生产现场运用的工况，周全提高物位丈传感器的检测水平，是清洁发电、平安发电工作实践获得成功得必然条件。
[参考文献]
[1]VEGAPULS50LeverandpressureOperatingInstructions2000,2
[2]CELTEKLM-7000PhaseTrackingSystemProductDescription1998,7
[3]MILLTRONICSAiRangerSPL-519InstructionManual1997,9