盧 鑫，施紅武，盧有成

（1.內(nèi)蒙古京寧熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏蘭察布 012000；2.山東棗莊南郊熱電有限公司，山東 棗莊 277100；3.內(nèi)蒙古科迪自控設(shè)備有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 014300）

0 引言

物位測量方法，因被測對象和被測介質(zhì)復(fù)雜多樣，而有形式各異的物位檢測原理和方法。隨著電子傳感器件的不斷發(fā)展和進(jìn)步[1]，從最原始的機(jī)械浮球或水銀柱指示，以及云母器材到今天的雷達(dá)、超聲波、無源核子、測速電機(jī)、重力感應(yīng)、電感電阻、電容式等多種多樣，形式各異。但無論哪一種，都各有特點(diǎn)，因被測對象或者介質(zhì)變化而不能簡單概之。如工業(yè)脫硫脫硝的污水池水位，水的純度不穩(wěn)定，池內(nèi)也有部分蒸汽，假如用電容式，其電介常數(shù)不斷變化，水位不會是電容的單一函數(shù)。再比如用超聲波物位計，因?yàn)樗魵饽Y(jié)于喇叭口，而導(dǎo)致測量失靈。

圖1 簡易式開關(guān)量灰位測量示意圖Fig.1 Simple switch ingenuity grey level measurement schematic

本文根據(jù)在火電廠和鋼廠以及水泥行業(yè)的固體物料，比如原煤或其他礦石固體顆粒的測量，由于受其本身顆粒度不均，并常伴有水分、粉塵等因素的影響，幾乎沒有可靠簡單的測量手段?，F(xiàn)場常常采用核輻射射線或者鋼帶重錘原理的比較多，偶爾也有采用超聲波或高頻雷達(dá)作為連續(xù)監(jiān)測手段，用輸出的4mA～20mA模擬量信號作為相應(yīng)的料位?？墒?，不論哪種手段，在現(xiàn)場使用過程中都難以長期穩(wěn)定運(yùn)行，更無法精確校準(zhǔn)。核輻射的測量方式應(yīng)屬于放射源，安裝、校準(zhǔn)、檢修以及廢棄存放，都涉及到工作人員防護(hù)措施和環(huán)保要求，一般不建議選用。眾所周知，昂貴的重錘鋼帶式雖然原理簡單可用，但是往往常年累月的運(yùn)行中，重錘和鋼絲繩容易被物料粘裹、磨損或埋錘經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致鋼絲繩斷裂或掉錘的故障，影響料位的穩(wěn)定測量，給運(yùn)行和檢修維護(hù)帶來不便。在此惡劣的粉塵環(huán)境里，選擇高頻雷達(dá)的測量原理雖然沒有問題，可是原煤斗或者是灰倉物料形狀不規(guī)則，加之粉塵濃度較大，容易遮堵雷達(dá)源的探頭喇叭口，以及安裝位置對測量誤差影響較大，這些諸多因素都無法滿足測量裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，尋找一種安全、經(jīng)濟(jì)、可靠穩(wěn)定的測量手段顯得非常必要，這也是所有專業(yè)人員需要思考的問題。

為此，本文提出一種在粉塵環(huán)境料倉的基礎(chǔ)上，通過安裝稱重傳感器的方式，把物位測量轉(zhuǎn)化成一個料倉靜態(tài)重量檢測的方法，期待在設(shè)計原煤倉或者灰倉的時候，土建和機(jī)械專業(yè)能夠給與配合，這是一種簡單可靠而且無傳動元件的一種靜態(tài)稱重測量手段。

1 煤粉倉和灰倉等物位測量對象的特點(diǎn)

1）可靠性：希望測量設(shè)備簡單可靠，測量準(zhǔn)確，維護(hù)量小，長期在線無故障。

圖2 稱重盤測量示意圖Fig.2 Weighing disc measurement schema

2）物料堆放的錐體不規(guī)則：因?yàn)槲锪隙逊诺男误w不規(guī)則，無法界定準(zhǔn)確的界面，所以測量物位時，不能準(zhǔn)確測量真實(shí)的料位，取樣口的位置選擇相對而言尤為重要。

3）環(huán)境工況惡劣：料倉料位測量區(qū)域粉塵較大，環(huán)境惡劣，給安裝、維護(hù)帶來了不便。

4）無法校準(zhǔn)和開孔：運(yùn)行過程中無法對真實(shí)的料位進(jìn)行校對維修，不便于維護(hù)和故障維修診斷。

2 采用稱重傳感器測量物位的方法

鑒于以上所述，根據(jù)被測對象的特點(diǎn)，由此構(gòu)想出一種衡器稱重的方式，其原理簡單，維護(hù)方便，可靠性好，對于規(guī)則容器可以通過重量測量，來反映料倉內(nèi)的真實(shí)料位和物質(zhì)量的多少。因?yàn)闇y量物位也是為了知道料斗內(nèi)部物質(zhì)的多少，也許這樣更直接方便。對于采用稱重原理這一方式，在設(shè)計的時候，打破專業(yè)界限，土建、工藝設(shè)備、控制專業(yè)互相配合，做到優(yōu)化設(shè)計，安全可靠，確?？煽糠€(wěn)定運(yùn)行。為方便運(yùn)行維護(hù)，只需要在大修周期更換或校核稱重元件即可。具體設(shè)計如圖1所示，以稱重傳感器為核心的一種料位測量結(jié)構(gòu)圖。

1）如圖1所示，這是一種按照模擬量或者開關(guān)量設(shè)計的測量簡圖。假定被測對象是一個灰斗，灰的介質(zhì)的密度相對穩(wěn)定?！盎叶犯吡衔弧焙汀盎叶返土衔弧笔莾蓚€稱重傳感器[2]。這里采用一種壓電方式的稱重傳感器，如圖2所示。

當(dāng)有一定重量的物料落到托盤，直到把托盤埋入的時候，稱重傳感器會有一個電壓輸出，把這個電壓信號送到DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，可以做出料位的畫面狀態(tài)，也可以做出高低料位狀態(tài)的報警狀態(tài)指示。當(dāng)物位達(dá)到一定高度，也就是托盤的壓力達(dá)到一定的重力，可以設(shè)定發(fā)出料位報警信號而觸發(fā)報警，報警的不靈敏區(qū)間范圍根據(jù)介質(zhì)特點(diǎn)和現(xiàn)場設(shè)定，在現(xiàn)場通過DCS系統(tǒng)或用繼電器等方式轉(zhuǎn)化所需要的信號狀態(tài)。對于高、低料位處設(shè)置應(yīng)變感式傳感器，測量輸出可以是開關(guān)量信號，也可以輸出模擬量信號，根據(jù)工藝流程需要可以任意選擇。這種方式的安裝位置，根據(jù)容器材質(zhì)和實(shí)際需求位置開孔安裝。

托盤的形狀和尺寸不需要太大，為了防止物料堆積，在設(shè)計制作的時候，最好做一個半球形狀，或者是傘形，如圖2所示，這樣可以防止物料堆積引起信號誤觸發(fā)。

圖3 簡易式灰?guī)煳镂粶y量示意圖Fig.3 Simple ash reservoir level measurement schema

2）如圖3所示，有一些地方作為報警和保護(hù)信號，為了可靠，可以安裝兩個狀態(tài)監(jiān)測信號，保證了信號的準(zhǔn)確性。按這種方式，高料位處設(shè)置應(yīng)變感式傳感器，測量輸出可以是開關(guān)量信號，也可以輸出模擬量信號。開孔位置，根據(jù)容器材質(zhì)和特點(diǎn)選擇，為了測量可靠，用兩個應(yīng)變稱重測力傳感器，采用二選一的方式，保證了測量的可靠性。

在介質(zhì)密度穩(wěn)定的情況下，規(guī)則形狀的料位和重量是一個固定比例的函數(shù)關(guān)系，所以通過應(yīng)變感應(yīng)的稱重傳感器在測得重量的時候，也就可以換算出相應(yīng)的料位。反之亦然，然而，有一些被測對象更重視容器內(nèi)部的物料多少，比如糧庫。這種方式，更適應(yīng)于密度穩(wěn)定的介質(zhì)，安裝前期，把應(yīng)變測量重力的位置選擇好，設(shè)計的時候在容器的底部安裝一個或者是多個稱重傳感器，測量整個容器的重量，去掉空倉時候的毛重，這就是物料的重量，如圖4所示，給出了一種參考的示意圖。

壓電傳感器的安裝位置，根據(jù)被測對象，像靜態(tài)軌道衡器一樣安裝測量，這是一個比較可靠和成熟的技術(shù)。在衡器檢測方面，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。為了可靠，實(shí)際現(xiàn)場一般是多安裝幾個傳感器，在控制系統(tǒng)內(nèi)部（比如DCS系統(tǒng)）進(jìn)行傳感器故障在線診斷和計算信號平均值，或者三取二的邏輯方式，能夠使信號準(zhǔn)確可靠，有一個故障的情況下，也能保障測量正常使用。稱重壓電傳感器安裝的具體位置，根據(jù)不同對象，設(shè)計時選擇維護(hù)方便和便于更換的地方，這樣壓電傳感器輸出與重量對應(yīng)的物位電壓信號。傳感器的數(shù)量和位置選擇，可以是測量整個倉或庫的重量，也可以通過測量一個分力，反之計算總重量，根據(jù)工藝系統(tǒng)因地制宜?？傊?，只要簡單可靠，便于維修使用。使人（安裝維護(hù)人員）、機(jī)（機(jī)器）、環(huán)（環(huán)境）的界面達(dá)到最佳，不需要太多的運(yùn)行維護(hù)工作。

圖4 原煤斗或固體顆粒料倉的稱重測量料位Fig.4 Weighing the measuring level of raw coal hopper or solid particle silos

3 推廣的可行性和意義

通過應(yīng)變感應(yīng)傳感器組成的稱重傳感器用于測量物位，是一種新型的應(yīng)用技術(shù)，為一些環(huán)境惡劣，測量介質(zhì)特殊的粉、煤、灰和礦石，以及污水或者糧食等介質(zhì)的測量，提供了一種可行的方法。本文作者曾于1992年，用來測量地下水位[3]。如今測量一些固體顆粒也有廣闊的前景，指導(dǎo)同行推廣使用。希望今后的工程設(shè)計中，機(jī)、電、儀專業(yè)緊密配合，把煤倉和灰倉等這些比較復(fù)雜的介質(zhì)的測量簡單化，讓復(fù)雜被測對象的物位測量能夠更簡便、更可靠，更經(jīng)濟(jì)地滿足工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。