大型火力发电厂“飞灰/ 底渣岛”物位测量传感器的选型设计与应用

      大型火力发电厂飞灰/ 底渣岛灰库、脱水仓的物位检测是当今世界物位制
造厂商共同面临的难题之一，因其应用场合较特殊，很难捕捉温度、压力、输料
速率、介电常数等工质变化规律，且没有现成的控制模式可参照。所以说要真正
选型设计好、应用好物位测量传感器仍是一件不容易的事。本文以600MW 大型火
力发电厂飞灰/ 底渣岛的生产现场应用实例为背景，从物位测量传感器的测量原
理，选型设计、新技术应用、PLC / DCS 接口等多角度去判断、分析、解决实际
问题，提出新的思路与建议，与广大工程技术人员共同探讨。

      关键词：物位测量　应用技术　选型设计

      随着自动控制高新技术的发展，连续式物位测量传感器在电站、石化、油
田等工业领域得到广泛的应用。固体颗粒、灰粉和泥浆混合物的料（液）位测量，
特别是非接触式连续测量一直是物位测量技术的难题，应用在火力发电厂飞灰/
底渣岛灰库、脱水仓料位检测的问题更加突出。它始终存在粉尘粘性大、温度偏
高、介电常数小等问题；如何合理选型设计好适用于电厂灰库、脱水仓的新型物
位测量传感器，并应用成功已成为关键。物位测量传感器作为一种特殊的测量传
感器可测量不同介质的物位势能。它在PLC / DCS 系统接口中有着非常重要的地
位。

      1 　物位测量传感器的分类及其原理

      物位测量传感器可分两大类：一类是测量物位连续变化的传感器：另一类
是测量以状态为目标的开关式传感器（即物位开关）。连续式测量传感器主要用
于连续控制的料仓、灰库等方面，有时也可用于多点报警系统；开关式物位测量
传感器主要用于顺序控制的限位，报警等。下面主要介绍三种连续式物位测量传
感器的基本原理、PLC/DCS 接口及应用技术。

      1.1 　雷达测量原理

      雷达测量应用发射－反射－接收测量原理。雷达传感器的天线以波束的形
式发射最小5.8GHZ的雷达信号，反射回来的回波信号仍由天线接收；雷达脉冲信
号从发射到接收的运行时间与测量传感器到介质表面的距离以及物位成比例。
（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
信号。脉冲波束的频率是3.6MHZ，在发射间隔时间内，天线系统作为接收装置使
用；传感器分析处理运行时间 <；十亿分之一秒的回波信号，并在极短的一瞬
间分析处理回波图。

      1.2 　相位跟踪测量原理

      相位跟踪原理利用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 ）电子部件沿测量传感器发送一个高频正弦波，这一正
弦波产生一个电磁场。电磁场同时绕两根导线移动。这一信号以一个恒定的速度
向料面移动，到达料面处，该信号被反射并以相同的速度往回移动。该信号之所
以会从料面反射回来，是因为测量传感器的阻抗在空气与物料的介面处发生了突
变。因为电磁场延伸到测量传感器两根导线的外部，所以探头的阻抗取决于周围
介质的介电常数ε。

      1.3 　超声波测量原理

      它是一种非接触式的物位测量传感器，其原理是工作时向液面或粉体表面
发射一束超声波，被其反射后，测量传感器再接收此反射波。（见图3 ）设声速
一定，根据声波往返的时间就可以计算出测量传感器到液面（粉体表面）所距离，
即测量出液面（粉体表面）位置。其传感元件有二种，一种是由线圈、磁铁和膜
构成的，另一种是由压电式磁致伸缩材料构成的。前者产生10KHZ 的超声波，后
者产生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 大。因此，在空气与物料的介面上，由于介电常数的差别，总会
产生一个回波。最小介电常数之差约为0.5 ，即物料的最小介电常数约为1.5.

      2 　三种新型连续物位测量传感器的功能特点、PLC 接口技术的分析比较

      2.1 　雷达测量传感器的功能分析及PLC 接口

      2.2.1 　功能特点：

      雷达传感器连续，非接触测量传感器探头到介质表面的距离。不同的距离
对应不同的物位。应用特殊的调整间隔时间技术，将每秒种3 ，600 ，000 个回
波图放大、定位，然后分别进行整合、判断，以每0.1 秒精确地分析处理这些被
放大的回波信号，节省分析频率的时间。雷达信号是一种特殊形式的电磁波，其
物理特性与可见光相似。根据量子论观点：雷达信号可以穿透空间，传播速度相
当于光速。

      雷达信号是否可以被反射，取决于两个因素：①。被测介质的导电性；②。
被测介质的介电常数；所有导电的介质都能很好地反射雷达信号，尽管介质的导
电性不是很好，也能被很准确地测量。

      雷达测量传感器可以测量所有介质电常数> ；1.5 的介质（空气的介电
常数是1 ）。介质的导电性越好或介电常数越大，回波信号的反射效果越好。

      2.1.2 　分析处理

      ①智能自动

      雷达测量传感器采用先进的电子部件，测量效率很高。能够探测到比十亿
分之一还短的雷达信号运行时间，还将多年的物位及雷达测量技术应用于智能信
号分析处理。

      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测量的经验参数。与人类记忆相似，数
据库的记忆是长期记忆，历史存储器相当于短时记忆，雷达信号的图片相当于瞬
时记忆。

      ②计算概率

      ECHOFOX ？按照计算概率的方法（模糊逻辑）连续快速计算和判断，哪些
回波图是正确的，并且每0.1 秒重新给出物位。基于两个数据库的数据和实际的
回波图，测量传感器在很短的时间内作出决定。标有ECHOFOX ？的测量传感器可
以根据经验参数辨别有用回波和虚假回波，并将虚假回波滤出。

      2.1.3 　输出信号与PLC 的接口

      测量传感器的信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模拟信号；

      0 / 4 ~ 20mA模拟信号是一种通用的标准信号。适用于设计单点模拟量测
量或PLC / DCS 系统；

      ②　与测量值成比例的数字型信号；

      数字型信号传输适用于大型测量系统，带数字型输出的传感器可以任意联
网。一根两芯线缆上可以连接5 ~ 15个传感器（数字型输出）

      数字型输出的特点是测量精度高，误差小。

      2.1.4 应用场合

      雷达式测量传感器不受温度、压力、气体等条件的限制和影响，可无接触、
精确地测量不同介质的物位，应用于灰粉、固态颗粒、高温等各种工况，安全且
节省能源。在实际应用中，雷达料位的发射功率非常小，通过金属容器外壁可以
将雷达信号完全隔离。（静电屏蔽）

      2.2 相位跟踪测量传感器的功能分析及PLC 接口

      2.2.1 功能特点：

      相位跟踪法是通过测量发送RF（Radio Frequency ）射频波与从物料表面
反射回波之间的相位角来测量物位的。RF波是在一根垂直悬挂在料仓内的传输线
（即传感元件）中传播的。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度量。该测量方法取决于物料的性质，
与介电常无关。因为RF波的传播不随压力和温度条件变化，所以物料读数将在过
程物位测量常温、常压下保持稳定。在粒状和粉状物料中，这种测量方法不受加
料过程中粉尘、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。
测量液体时，不受液体种类、比重变化、介电常数及液体在探头上凝结物的影响。

      2.2.2 　分析处理

      料仓测量过程与物料性质无关，这是解决多年物料测量难点的重大突破。
因为按相位跟踪原理，其测量的是物料上面空间的高度，而不是物料本身，所以
与物料无关。料位测量的结果不取决于料仓内电容或导电率的物理特性；介电常
数的变化仅改变反射信号（Rx）的幅值，而不改变Tx与Rx之间的相位。因此，利
用这个测量原理可以在介电常数变化的条件下工作。另外，因为充满粉尘的空气
和粘附在探头的物料，它们所占据的空间，与探头周围的测量空间相比是微不足
道的，故加料过程中的粉尘及因温度变化而引起的介电常数的变化、料仓的结构，
如高度、直径等这些固体料测量中的干扰均不会影响相位跟踪法的测量精度。RF
波本身的检测特点决定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