稱重式傳感器在料位測量中的應用及探討

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。