基于單片機(jī)的結(jié)晶器鋼水液位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 洋，王景存，黃 亮

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

連鑄生產(chǎn)中，結(jié)晶器作為連鑄機(jī)上的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，其鋼水液位的控制精度直接影響著鋼坯的質(zhì)量和產(chǎn)量。結(jié)晶器鋼水液位的檢測方式有熱電偶埋入法、工業(yè)電視法、周期性電極插入法、放射性同位素法、渦流法、電磁感應(yīng)法和激光法等等。目前連鑄機(jī)結(jié)晶器上廣泛采用的方法是放射性同位素法、渦流法和激光法[1]。

本系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)的渦流型結(jié)晶器鋼水液位檢測系統(tǒng)。由激勵(lì)產(chǎn)生、渦流傳感、信號放大、精密檢波和單片機(jī)控制等四部分組成，激勵(lì)產(chǎn)生電路主要用于產(chǎn)生50 kHz的正弦波信號，經(jīng)過放大后作為傳感器的激勵(lì)源，渦流傳感器感應(yīng)出的液位信號經(jīng)放大和精密檢波后輸出0～5 V的直流電平。最后由單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換和線性化輸出4～20 mA的電流信號到PLC控制器。

1 測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于交變的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流。以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)[2]。

電渦流傳感器的核心部分由兩組線圈組成，包括一個(gè)激勵(lì)線圈和兩個(gè)感應(yīng)線圈。電渦流傳感器中的電磁信號在鋼水表面產(chǎn)生渦電流，此渦電流在傳感器線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號，其大小隨鋼水表面到傳感器的距離而變化。

通電線圈與金屬導(dǎo)體之間的電渦流效應(yīng)如圖1所示。當(dāng)通有一定交變電流Is（頻率為f）的電感線圈L靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，在金屬周圍產(chǎn)生交變磁場，在金屬表面將產(chǎn)生電渦流I1，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電渦流也將形成一個(gè)方向相反的磁場。磁電渦流的閉合流線的圓心同線圈在金屬板上的投影的圓心重合[3]。

圖1 渦流互感效應(yīng)示意圖Fig.1 Eddy current mutual inductance effect schematic diagram

渦流滲透深度：

式中：ρ——電阻率（Ω·mm2/m）；μ——相對導(dǎo)磁率；f——Is的頻率（Hz）

對金屬材料而言，若Is和L等的參數(shù)已定，金屬板的厚度t＞＞h滲透深度時(shí)，則表面感應(yīng)的渦流I幾乎只取決于線圈L至金屬板的距離H，而與板厚及電阻率的變化無關(guān)[4－5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

如圖2所示，振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)過濾波、整形放大后，與電渦流傳感器的反饋信號相乘，最后經(jīng)過功率放大推動電渦流傳感器的激勵(lì)線圈。傳感器利用電渦流效應(yīng)得到鋼水液位的感應(yīng)信號，此感應(yīng)信號經(jīng)過放大、濾波、檢波、A/D轉(zhuǎn)換及線性化處理后通過單片機(jī)得到0～150 mm范圍內(nèi)的實(shí)際鋼水液位值，再利用D/A轉(zhuǎn)換輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號用于PLC控制系統(tǒng)控制連鑄機(jī)中包車水口滑板，實(shí)現(xiàn)全自動澆鑄。

圖2 液位檢測系統(tǒng)框圖Fig.2 Liquid level detection system block diagram

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 激勵(lì)信號電路

如圖3所示，激勵(lì)信號電路主要由振蕩源電路、濾波電路和整形放大電路組成。其作用是為渦流傳感器的激勵(lì)線圈提供激勵(lì)信號。

振蕩源振蕩信號頻率及幅值的穩(wěn)定性直接影響到檢測精度，而生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，普通振蕩源性能無法滿足性能要求，因此選用高精度可編程振蕩器5G8640。該芯片具有輸入阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，驅(qū)動能力強(qiáng)等特點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)CMCS電路兼容，使用靈活方便。主要適用于高精度儀器儀表及電子設(shè)備控制系統(tǒng)[6]。

圖3（a）中通過設(shè)置5G8640的CSEL管腳為低電平選擇片內(nèi)600M晶振，設(shè)置CTL3～CTL1管腳為高電平和CTL4～CTL6管腳為低電平選擇12分頻，最終由OCTPF管腳輸出50 kHz方波振蕩信號，經(jīng)R1上拉輸出再由C7、R23濾波電路輸出。 C1、R5、C2、IC1、IC7 組成整形放大電路，見圖 3（b），將50 kHz的方波振蕩信號經(jīng)過整形及兩次放大后變?yōu)榉递^大并且穩(wěn)定的正弦波信號。在整形放大電路中通過調(diào)整C2大小可改變正弦波的失真度，得到一個(gè)波形不失真的正弦波信號。

圖3 激勵(lì)信號電路Fig.3 Excitation signal circuit

輸出的正弦波信號與電渦流傳感器的反饋信號經(jīng)乘法器相乘后進(jìn)行功率放大，最終為電渦流傳感器提供激勵(lì)信號。電渦流傳感器利用這個(gè)激勵(lì)信號在鋼水表面產(chǎn)生電渦流，進(jìn)而在傳感器感應(yīng)線圈中得到感應(yīng)信號，以此測量鋼水液位值。

2.2.2 信號檢測電路

如圖4所示，信號檢測電路主要由前級放大電路、濾波電路和檢波電路3部分組成，其作用是檢測渦流傳感器中感應(yīng)線圈的信號。

圖4 信號檢測電路Fig.4 Signal detection circuit

R28、R29和渦流傳感器繞感應(yīng)線圈S1、S2，組成橋式信號檢測輸入，能提高輸入信號分辨率及電路的抗干擾能力。IC8及電阻構(gòu)成前級放大電路，如圖4（a）所示，利用VR2調(diào)整檢測放大輸出電路的平衡。

L1、C16、R42組成選頻網(wǎng)絡(luò)，輸入信號經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)，將有效信號傳輸給由IC10及電阻組成的放大器進(jìn)行放大輸出，如圖4（b）所示。選頻網(wǎng)絡(luò)能有效阻止干擾信號，只有在有效頻率信號范圍內(nèi)的信號才能被選頻網(wǎng)絡(luò)選通，起到對現(xiàn)場非有效頻率信號的阻隔。

選頻放大后的信號經(jīng)過C17耦合到由IC11、電阻及二極管D2、D3組成的檢波電路，如圖4（c）所示，將信號幅值隨鋼水液位變化的正弦波檢波輸出為直流信號。

這3部分電路后面還接有兩級加法電路，主要用于溫度補(bǔ)償和零點(diǎn)調(diào)整。檢波輸出后的直流信號隨后同補(bǔ)償電路輸出的補(bǔ)償信號一起經(jīng)過第一級加法器疊加，輸出后再同調(diào)零電路經(jīng)過第二級加法器疊加，得到0～5 V電壓信號。最終使得鋼水的液位在0～150 mm變化時(shí)，直流電壓信號在0～5 V變化。

2.2.3 其他電路及作用

除了上文提及到的乘法器電路、功放電路、補(bǔ)償電路、調(diào)零電路和加法電路外，系統(tǒng)還有以下電路：電源電路，為系統(tǒng)各電路模塊提供工作電源；AD電路，將檢測到的模擬信號如0～5 V電壓值；溫度檢測電路，將傳感器溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號提供給單片機(jī)處理；DA電路，將電壓信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號輸出給PLC使用；單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路，如程序下載口、按鍵、指示燈、蜂鳴器、繼電器和光耦輸入輸出隔離保護(hù)電路等。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

由于輸出的液位電壓信號并不是完全線性化的，所以必須用程序?qū)ζ溥M(jìn)行線性化調(diào)整。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際使用情況，為了滿足設(shè)計(jì)精度的要求。采用16點(diǎn)線性化，較好地反映出實(shí)際液位的變化。表1為經(jīng)過16點(diǎn)線性化后，經(jīng)過多次測試后得出的系統(tǒng)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系。

通過表中數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值相差在±2 mm之間，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的檢測精度。在實(shí)際生產(chǎn)中鋼水液位一般維持在75 mm左右，系統(tǒng)在此區(qū)間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行截圖如圖5所示。因?yàn)橄到y(tǒng)在程序中已經(jīng)對結(jié)晶器振動臺的震動波進(jìn)行了濾除處理，所以曲線擺幅不大，圖5中的曲線反映了實(shí)際生產(chǎn)過程中的運(yùn)行檢測過程。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)通過不斷的設(shè)計(jì)改進(jìn)，使得系統(tǒng)的抗干擾能力得到進(jìn)一步提高。除此之外，系統(tǒng)還增加了自動增益補(bǔ)償功能、線性化設(shè)置功能、自動校準(zhǔn)功能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示等眾多功能，有效測量距離達(dá)到0～150 mm，并保證了測量精度，能夠?qū)崿F(xiàn)在無人值守的情況下的系統(tǒng)自我校準(zhǔn)和恢復(fù)，極大的減輕了系統(tǒng)維護(hù)的工作量，已在國內(nèi)多個(gè)鋼廠得到實(shí)際應(yīng)用。

表1 線性化后標(biāo)準(zhǔn)值與測量值對比Tab.1 Contrast of standard value and the measured value after linearized

圖5 實(shí)際效果圖Fig.5 Effect picture

[1]尤克強(qiáng).連鑄機(jī)結(jié)晶器熔鋼液位控制[J].自動化儀表，1992（9）:22－23.YOU Ke-qiang.The continuous caster melting liquid level control[J].Process Automation Instrumentation，1992（9）:22－23.

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