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      稱重式傳感器在料位測量中的應用及探討

      2020-03-27 17:02:16施紅武盧有成
      儀器儀表用戶 2020年4期
      關鍵詞:物位重量介質

      盧 鑫,施紅武,盧有成

      (1.內蒙古京寧熱電有限責任公司,內蒙古自治區(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.內蒙古科迪自控設備有限公司,內蒙古自治區(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復雜多樣,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)展和進步[1],從最原始的機械浮球或水銀柱指示,以及云母器材到今天的雷達、超聲波、無源核子、測速電機、重力感應、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,因被測對象或者介質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,因為水蒸氣凝結于喇叭口,而導致測量失靈。

      圖1 簡易式開關量灰位測量示意圖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的料位。可是,不論哪種手段,在現(xiàn)場使用過程中都難以長期穩(wěn)定運行,更無法精確校準。核輻射的測量方式應屬于放射源,安裝、校準、檢修以及廢棄存放,都涉及到工作人員防護措施和環(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行中,重錘和鋼絲繩容易被物料粘裹、磨損或埋錘經常發(fā)生,導致鋼絲繩斷裂或掉錘的故障,影響料位的穩(wěn)定測量,給運行和檢修維護帶來不便。在此惡劣的粉塵環(huán)境里,選擇高頻雷達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)定運行。因此,尋找一種安全、經濟、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)境料倉的基礎上,通過安裝稱重傳感器的方式,把物位測量轉化成一個料倉靜態(tài)重量檢測的方法,期待在設計原煤倉或者灰倉的時候,土建和機械專業(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

      1)可靠性:希望測量設備簡單可靠,測量準確,維護量小,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:因為物料堆放的形體不規(guī)則,無法界定準確的界面,所以測量物位時,不能準確測量真實的料位,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、維護帶來了不便。

      4)無法校準和開孔:運行過程中無法對真實的料位進行校對維修,不便于維護和故障維修診斷。

      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,由此構想出一種衡器稱重的方式,其原理簡單,維護方便,可靠性好,對于規(guī)則容器可以通過重量測量,來反映料倉內的真實料位和物質量的多少。因為測量物位也是為了知道料斗內部物質的多少,也許這樣更直接方便。對于采用稱重原理這一方式,在設計的時候,打破專業(yè)界限,土建、工藝設備、控制專業(yè)互相配合,做到優(yōu)化設計,安全可靠,確保可靠穩(wěn)定運行。為方便運行維護,只需要在大修周期更換或校核稱重元件即可。具體設計如圖1所示,以稱重傳感器為核心的一種料位測量結構圖。

      1)如圖1所示,這是一種按照模擬量或者開關量設計的測量簡圖。假定被測對象是一個灰斗,灰的介質的密度相對穩(wěn)定。“灰斗高料位”和“灰斗低料位”是兩個稱重傳感器[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。當物位達到一定高度,也就是托盤的壓力達到一定的重力,可以設定發(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)介質特點和現(xiàn)場設定,在現(xiàn)場通過DCS系統(tǒng)或用繼電器等方式轉化所需要的信號狀態(tài)。對于高、低料位處設置應變感式傳感器,測量輸出可以是開關量信號,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)容器材質和實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,保證了信號的準確性。按這種方式,高料位處設置應變感式傳感器,測量輸出可以是開關量信號,也可以輸出模擬量信號。開孔位置,根據(jù)容器材質和特點選擇,為了測量可靠,用兩個應變稱重測力傳感器,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)關系,所以通過應變感應的稱重傳感器在測得重量的時候,也就可以換算出相應的料位。反之亦然,然而,有一些被測對象更重視容器內部的物料多少,比如糧庫。這種方式,更適應于密度穩(wěn)定的介質,安裝前期,把應變測量重力的位置選擇好,設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。在衡器檢測方面,已經獲得了廣泛的應用。為了可靠,實際現(xiàn)場一般是多安裝幾個傳感器,在控制系統(tǒng)內部(比如DCS系統(tǒng))進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,設計時選擇維護方便和便于更換的地方,這樣壓電傳感器輸出與重量對應的物位電壓信號。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(安裝維護人員)、機(機器)、環(huán)(環(huán)境)的界面達到最佳,不需要太多的運行維護工作。

      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

      通過應變感應傳感器組成的稱重傳感器用于測量物位,是一種新型的應用技術,為一些環(huán)境惡劣,測量介質特殊的粉、煤、灰和礦石,以及污水或者糧食等介質的測量,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,指導同行推廣使用。希望今后的工程設計中,機、電、儀專業(yè)緊密配合,把煤倉和灰倉等這些比較復雜的介質的測量簡單化,讓復雜被測對象的物位測量能夠更簡便、更可靠,更經濟地滿足工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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