混凝土攪拌站料位測(cè)量技術(shù)比較

顧明忠，馮新紅

（1. 建德市恒大混凝土有限公司，浙江 建德 311699；2. 杭州江河機(jī)電裝備工程有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

在混凝土攪拌站中物料庫(kù)存管理是其中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，如果物料管理不善，出現(xiàn)物料短缺的情況將影響混凝的生產(chǎn)，如果來(lái)料太多會(huì)出現(xiàn)“壓車(chē)”或“溢倉(cāng)”等問(wèn)題?；炷翑嚢枵疚锪系姆N類(lèi)比較多，主要可歸結(jié)為三大類(lèi)：骨料（砂子和石子）、粉料（水泥、粉煤灰、礦粉等）和液體（清水、污水和各類(lèi)外加劑），各種物料的存儲(chǔ)有不同的方式，料位計(jì)的檢測(cè)手段也各不相同。

本文通過(guò)分析各種料位計(jì)的特點(diǎn)及其在混凝土攪拌站中的使用情況，為混凝土攪拌站各種物料的料位測(cè)量提供選擇幫助。

1 料位檢測(cè)分類(lèi)

由于現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，料位檢測(cè)的方法很多，按照和被測(cè)物料的接觸關(guān)系可分為接觸式和非接觸式。接觸式料位計(jì)主要有：阻旋式、浮球式、重錘式、壓差式、電容式、導(dǎo)波雷達(dá)式、音叉式、電極式和射頻導(dǎo)納式等，非接觸式測(cè)量方式主要有：紅外式、超聲波式、雷達(dá)式、稱(chēng)重式和貼片式等；按測(cè)量結(jié)果的顯示方式不同可分為點(diǎn)式料位計(jì)和連續(xù)式料位計(jì)，點(diǎn)式料位計(jì)只是檢測(cè)單點(diǎn)的料位情況，輸出一個(gè)料位信號(hào)，如阻旋式、音叉式和浮球式等；連續(xù)式料位計(jì)可以反映物料料位的連續(xù)變化，輸出一個(gè)連續(xù)信號(hào)或一串料位信號(hào)，如導(dǎo)波雷達(dá)式、超聲波式、雷達(dá)式、稱(chēng)重式、連續(xù)磁翻柱式和貼片式等；根據(jù)被測(cè)物體種類(lèi)的不同，可分為物位計(jì)和液位計(jì)，物位計(jì)一般指的是測(cè)量固體的料位計(jì)，常用的有了雷達(dá)式和紅外式，液位計(jì)多用于測(cè)量液體，常用的有浮球式、電極式、磁翻柱和靜壓式等。

2 粉料料位測(cè)量

混凝土攪拌站的粉料存儲(chǔ)一般采用封閉的鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)，由于其全封閉的設(shè)計(jì)，更需要準(zhǔn)確的料位測(cè)量，如果料位檢測(cè)不準(zhǔn)確，往往會(huì)出現(xiàn)“空倉(cāng)”影響生產(chǎn)或“冒充”引發(fā)環(huán)境污染和浪費(fèi)。目前攪拌站常用的粉料料位計(jì)有阻旋式料位計(jì)、射頻導(dǎo)納料位計(jì)、重錘式料位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)和貼片式料位計(jì)，如圖 1 所示。

圖1 常用粉料料位計(jì)圖示

2.1 阻旋式料位計(jì)

阻旋式料位計(jì)，也稱(chēng)為阻旋式料位開(kāi)關(guān)，是一種接觸式、點(diǎn)式料位計(jì)，通過(guò)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)葉片是否接觸到物料來(lái)判斷是否有料，并向外輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、輸出接點(diǎn)容量大和成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。但是由于阻旋葉片直接與粉料接觸，葉片容易磨損，同時(shí)會(huì)存在因轉(zhuǎn)動(dòng)軸密封不嚴(yán)進(jìn)灰和物料粘結(jié)不能轉(zhuǎn)動(dòng)等情況，影響其準(zhǔn)確性。另外電機(jī)經(jīng)常處于旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，設(shè)備容易損壞、維護(hù)工作量大。目前在攪拌站中由于其價(jià)格低被廣泛使用，但多數(shù)在安裝不久后就失去作用。目前主要用作粉料倉(cāng)超高料位的安全保護(hù)開(kāi)關(guān)。

2.2 射頻導(dǎo)納式料位計(jì)

射頻導(dǎo)納料位計(jì)，又被稱(chēng)為射頻導(dǎo)納開(kāi)關(guān)，是一種接觸式的點(diǎn)式料位計(jì)，通過(guò)檢測(cè)傳感器電極和料倉(cāng)壁之間導(dǎo)納值的變化，實(shí)現(xiàn)料位的測(cè)量。其主要優(yōu)點(diǎn)是解決了粘料對(duì)料位計(jì)的測(cè)量精度影響，同時(shí)其沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件便于維護(hù)、性?xún)r(jià)比高，現(xiàn)有逐步取代阻旋式料位計(jì)的趨勢(shì)。其主要缺點(diǎn)是導(dǎo)納值受物料種類(lèi)有一定的影響，在第一次使用的時(shí)候要根據(jù)每種粉料的不同（如水泥、粉煤灰或礦粉等）需要對(duì)其靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 重錘式料位計(jì)

重錘式料位計(jì)由重錘、鋼絲繩、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)控制系統(tǒng)所組成，是一種點(diǎn)式接觸式的料位計(jì)。通過(guò)檢測(cè)每次測(cè)量時(shí)，鋼絲繩的下放長(zhǎng)度，來(lái)精確測(cè)量料位的高度，該高度值可以通過(guò)數(shù)字儀表直接顯示，是一種提供一系列料位高度的連續(xù)式料位計(jì)。重錘式料位計(jì)的測(cè)量方式不受物料性能和外觀(guān)形態(tài)的影響，具有測(cè)量可靠、料位直觀(guān)的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是鋼絲繩經(jīng)常上下的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械磨損較嚴(yán)重，需要經(jīng)常維護(hù)，還有一個(gè)最主要的缺陷是在料位的進(jìn)料過(guò)程中，不能進(jìn)行測(cè)量，不然會(huì)出現(xiàn)“埋錘”故障，因此混凝土攪拌站中應(yīng)用不是很廣。

2.4 導(dǎo)波雷達(dá)式料位計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)由探頭和鋼絲繩兩部分組成，探頭發(fā)射電磁脈沖，沿鋼絲繩進(jìn)行傳遞，當(dāng)遇到物料后，部分脈沖被反射，并沿鋼絲繩向回傳播，通過(guò)檢測(cè)根據(jù)發(fā)出和接收回波的時(shí)間差，再結(jié)合脈沖在鋼絲繩中的傳播速度，可以計(jì)算出料位的高度并數(shù)字顯示。該測(cè)量方法精度高、穩(wěn)定可靠，但被測(cè)物料的介電常數(shù)和測(cè)量粘度會(huì)對(duì)精度有一定的影響，要求被測(cè)物料的介電常數(shù)不能太小、粘度不能太大，其屬于接觸式連續(xù)式料位計(jì)。由于長(zhǎng)期受粉料的磨損和料流下行的拉力，會(huì)存在纜繩磨損拉斷的故障，同時(shí)早期的導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)主要都是進(jìn)口品牌，價(jià)格較高，在攪拌站中使用較少，隨著國(guó)產(chǎn)波雷達(dá)料位計(jì)技術(shù)的成熟，性?xún)r(jià)比提高，在攪拌站中逐步得到推廣。

2.5 貼片式稱(chēng)重料位計(jì)

貼片式稱(chēng)重料位計(jì)是利用由于料倉(cāng)承重引起的支撐結(jié)構(gòu)形變這一特性，通過(guò)高精度傳感器準(zhǔn)確地檢測(cè)這些金屬結(jié)構(gòu)的微小形變，并把該機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用以顯示物料的變化，通過(guò)校準(zhǔn)，可以直接顯示料倉(cāng)中料位的重量。貼片式稱(chēng)重料位計(jì)是一種非接觸式連續(xù)料位計(jì)顯示。與前面幾種料位計(jì)最主要的優(yōu)點(diǎn)是它能直觀(guān)地顯示料倉(cāng)物料的重量，而不是料位的高度，不存在高度和重量轉(zhuǎn)化之間的誤差；其缺點(diǎn)是：對(duì)料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形式有一定的要求，需要獨(dú)立料倉(cāng)，如果料倉(cāng)與料倉(cāng)之間或者料倉(cāng)和其他設(shè)備有連接都會(huì)影響測(cè)量精度，同時(shí)側(cè)向力（如風(fēng)荷載等）對(duì)精度有較大的影響，對(duì)于側(cè)向力引起的誤差，目前一般是通過(guò)在不同的支腿上多安裝貼片傳感器的辦法解決（一般是在一個(gè)料倉(cāng)的 3 個(gè)支腿上安裝應(yīng)變傳感器，測(cè)量精度可以控制在 3% 以?xún)?nèi)）。貼片式稱(chēng)重料位計(jì)目前價(jià)格相對(duì)較高，但是由于其具有直接顯示物料重量，精度高，不受物料特性、堆積形體、粉塵等外界因素的影響的優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到市場(chǎng)的認(rèn)可。

3 骨料料位計(jì)

混凝土攪拌站骨料倉(cāng)多為敞開(kāi)式大料倉(cāng)，一般通過(guò)攝像頭直接觀(guān)察物料的堆放情況，來(lái)進(jìn)行上料控制，對(duì)料位的檢測(cè)不是特別的重視。但是隨著封閉式料倉(cāng)及全自動(dòng)上料系統(tǒng)的出現(xiàn)，骨料料位計(jì)的重要性越來(lái)越越顯現(xiàn)出來(lái)。目前攪拌站常用的骨料料位計(jì)有電容式料位計(jì)、超聲波料位計(jì)、激光式料位計(jì)，如圖 2 所示。

圖2 常用骨料料位計(jì)圖示

3.1 電容式料位計(jì)

電容式料位計(jì)是一種接觸式的點(diǎn)式料位計(jì)，利用電極和料倉(cāng)壁之間由于介質(zhì)的變化所引起的電容變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)物料碰到電極時(shí)，電子器件通過(guò)檢測(cè)輸入阻抗的變化，來(lái)判斷物料料位是否到達(dá)高位，而輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。其特點(diǎn)是原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，同時(shí)不受上料過(guò)程中的粉塵影響，較為可靠，但是對(duì)物料的濕度和粒徑大小有一定的要求，如果骨料的濕度變化太大，會(huì)影響其靈敏度，造成誤動(dòng)作。

3.2 超聲波料位計(jì)

超聲波料位計(jì)利用回波測(cè)距原理，探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生反射，通過(guò)測(cè)量超聲波的發(fā)射和回波時(shí)間差，再根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度，可以測(cè)量出空倉(cāng)的高度，從而計(jì)算物位的料位。超聲波料位計(jì)是一種非接觸式的連續(xù)式料位計(jì)，具有安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、不受物料特性的影響，如密度、介電常數(shù)、濕度等，被廣泛使用。但由于超聲波必須借助于空氣傳播，所以會(huì)受到粉塵、溫度等因素影響影響，同時(shí)由于混凝土攪拌站高位料倉(cāng)結(jié)構(gòu)較為緊湊，料倉(cāng)內(nèi)有較多的附屬結(jié)構(gòu)，料倉(cāng)倉(cāng)壁和加強(qiáng)筋以及料堆形狀等都會(huì)產(chǎn)生多次回波或虛假回波，對(duì)測(cè)量精度有一定的影響，所以在實(shí)際攪拌站料倉(cāng)的應(yīng)用中效果并不是很理想。

3.3 激光料位計(jì)

激光料位計(jì)也稱(chēng)激光物位計(jì)，由探頭發(fā)射連續(xù)或高速脈沖激光束，激光束遇到被測(cè)物體表面進(jìn)行反射，反射光線(xiàn)會(huì)被激光接收器接收，通過(guò)測(cè)量激光發(fā)射到接收之間的時(shí)間差，可以確定料位的高度。激光料位計(jì)是一種非接觸連續(xù)式料位計(jì)，具有測(cè)量光束發(fā)散角小、方向性好、安裝簡(jiǎn)單、不受介質(zhì)溫度影響、測(cè)量精確高等優(yōu)點(diǎn)，但是激光無(wú)法穿透粉塵，因此在攪拌站中使用的主要問(wèn)題是骨料上料過(guò)程中的揚(yáng)塵對(duì)測(cè)量有影響，因此主要適用于含水率較高的骨料，或用作平時(shí)的料位監(jiān)控和低料位的啟動(dòng)型號(hào)。

4 液位計(jì)

混凝土攪拌站的液態(tài)物料主要是水（含污水）和外加劑，料位測(cè)量使用液位計(jì)，考慮性?xún)r(jià)比，目前主要使用的有浮球式、磁翻柱式、電極式和靜差式，見(jiàn)圖 3。

圖3 常用液位計(jì)圖示

4.1 浮球液位計(jì)

浮球液位計(jì)也稱(chēng)浮球液位開(kāi)關(guān)，是混凝土攪拌站中最常用的液位計(jì)。它是根據(jù)阿基米德浮力原理設(shè)計(jì)的。浮球隨著容器液位的變化上下移動(dòng)，利用浮球中的磁性材料使干簧管吸合或利用改變浮球的角度變化驅(qū)動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，從而輸出料位的變化信號(hào)。浮球液位計(jì)是一種接觸式點(diǎn)式料位計(jì)，根據(jù)安裝形式或浮球形式不同，可分為連桿浮球液位計(jì)、側(cè)裝浮球液位計(jì)和電纜浮球液位計(jì)等。浮球液位計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、精度高等特點(diǎn)，在攪拌站中廣泛使用。但是由于經(jīng)常性的運(yùn)動(dòng)，容易產(chǎn)生機(jī)械勞損，另外攪拌站中的外加劑由于粘度較高、容易產(chǎn)生泡沫，可能會(huì)引起液位計(jì)誤動(dòng)作。

4.2 磁性（翻柱）液位計(jì)

磁性（翻柱）式液位計(jì)是利用浮力和磁性耦合作用的原理，當(dāng)被測(cè)容器中的液位變化時(shí)，主導(dǎo)管中的浮子也隨之變化，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過(guò)磁耦合作用于指示裝置，驅(qū)動(dòng)紅、白翻柱翻轉(zhuǎn)，液位上升，翻柱由白色轉(zhuǎn)為紅色；液位下降，翻柱轉(zhuǎn)為白色。一般安裝于容器的側(cè)面，可加裝磁性開(kāi)關(guān)，作為料位信號(hào)輸出。磁性（翻柱）式液位計(jì)是一種接觸式點(diǎn)式料位計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)觀(guān)察紅白翻柱，液位一目了然，但是價(jià)格要比浮球液位計(jì)高，另外在加裝磁性開(kāi)關(guān)時(shí)要選擇不銹鋼固定裝置，避免鐵質(zhì)材料被永久磁鋼磁化引起誤動(dòng)作。

4.3 電極液位計(jì)

電極式料位計(jì)是利用液體的導(dǎo)電性來(lái)檢測(cè)液位的高低。在料倉(cāng)中設(shè)置 3 個(gè)電極，根據(jù)長(zhǎng)度不同分為高位、低位和公共電極，物體接觸電極后，便會(huì)導(dǎo)電給出檢測(cè)信號(hào)。電極液位計(jì)是一種接觸式點(diǎn)式料位計(jì)，一般和液位控制器配合使用。電極液位計(jì)精度和靈敏度高，在外加劑和污水中使用較多。但是其只能垂直安裝；同時(shí)電極長(zhǎng)度受強(qiáng)度限制，檢測(cè)高度受限；另外進(jìn)料時(shí)液位波動(dòng)不宜過(guò)大，不然會(huì)引起誤動(dòng)作。

4.4 靜壓液位計(jì)

靜壓液位計(jì)采用擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，通過(guò)測(cè)量探頭處液體自重產(chǎn)生的壓力，根據(jù)液體的密度，間接測(cè)量液體的高度，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)供儀表顯示。根據(jù)安裝方式不同可分為投入式和側(cè)裝式，根據(jù)是否攜帶顯示儀表分為一體式和分體式。靜壓液位計(jì)是一種接觸式連續(xù)料位計(jì)，其安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用，尤其是顯示直接準(zhǔn)確，正越來(lái)越多的在攪拌站中使用。

5 結(jié)論

隨著對(duì)信息化需求的提高，混凝土攪拌站對(duì)物料的管理也提出了新的要求，不再滿(mǎn)足于“有沒(méi)有料”這種簡(jiǎn)單的要求，需要了解各種物料準(zhǔn)確的庫(kù)存，因此連續(xù)的、精確的料位計(jì)將會(huì)被越來(lái)越多地使用。