????? 大型火力發電廠“飛灰/ 底渣島”物位測量傳感器的選型設計與應用

????? 作者：梁國建

????? 摘要：大型火力發電廠飛灰/ 底渣島灰庫、脫水倉的物位檢測是當今世界
物位制造廠商共同面臨的難題之一，因其應用場合較特殊，很難捕捉溫度、壓力、
輸料速率、介電常數等工質變化規律，且沒有現成的控制模式可參照。所以說要
真正選型設計好、應用好物位測量傳感器仍是一件不容易的事。本文以600MW 大
型火力發電廠飛灰/ 底渣島的生產現場應用實例為背景，從物位測量傳感器的測
量原理，選型設計、新技術應用、PLC / DCS 接口等多角度去判斷、分析、解決
實際問題，提出新的思路與建議，與廣大工程技術人員共同探討。

????? 關鍵詞：物位測量　應用技術　選型設計

????? 隨著自動控制高新技術的發展，連續式物位測量傳感器在電站、石化、油
田等工業領域得到廣泛的應用。固體顆粒、灰粉和泥漿混合物的料（液）位測量，
特別是非接觸式連續測量一直是物位測量技術的難題，應用在火力發電廠飛灰/
底渣島灰庫、脫水倉料位檢測的問題更加突出。它始終存在粉塵粘性大、溫度偏
高、介電常數小等問題；如何合理選型設計好適用于電廠灰庫、脫水倉的新型物
位測量傳感器，并應用成功已成為關鍵。物位測量傳感器作為一種特殊的測量傳
感器可測量不同介質的物位勢能。它在PLC / DCS 系統接口中有著非常重要的地
位。

????? 1 　物位測量傳感器的分類及其原理

????? 物位測量傳感器可分兩大類：一類是測量物位連續變化的傳感器：另一類
是測量以狀態為目標的開關式傳感器（即物位開關）。連續式測量傳感器主要用
于連續控制的料倉、灰庫等方面，有時也可用于多點報警系統；開關式物位測量
傳感器主要用于順序控制的限位，報警等。下面主要介紹三種連續式物位測量傳
感器的基本原理、PLC/DCS 接口及應用技術。

????? 1.1 　雷達測量原理

????? 雷達測量應用發射－反射－接收測量原理。雷達傳感器的天線以波束的形
式發射最小5.8GHZ的雷達信號，反射回來的回波信號仍由天線接收；雷達脈沖信
號從發射到接收的運行時間與測量傳感器到介質表面的距離以及物位成比例。
（見圖1 ）一束雷達脈沖的發射時間為1ns ，每隔277ns 天線系統發射一束脈沖
信號。脈沖波束的頻率是3.6MHZ，在發射間隔時間內，天線系統作為接收裝置使
用；傳感器分析處理運行時間 <；十億分之一秒的回波信號，并在極短的一瞬
間分析處理回波圖。

????? 1.2 　相位跟蹤測量原理

????? 相位跟蹤原理利用高頻傳輸線作為探頭。探頭由兩根平行導線組成，垂直
懸掛在貯罐內。（見圖2 ）電子部件沿測量傳感器發送一個高頻正弦波，這一正
弦波產生一個電磁場。電磁場同時繞兩根導線移動。這一信號以一個恒定的速度
向料面移動，到達料面處，該信號被反射并以相同的速度往回移動。該信號之所
以會從料面反射回來，是因為測量傳感器的阻抗在空氣與物料的介面處發生了突
變。因為電磁場延伸到測量傳感器兩根導線的外部，所以探頭的阻抗取決于周圍
介質的介電常數ε。

????? 1.3 　超聲波測量原理

????? 它是一種非接觸式的物位測量傳感器，其原理是工作時向液面或粉體表面
發射一束超聲波，被其反射后，測量傳感器再接收此反射波。（見圖3 ）設聲速
一定，根據聲波往返的時間就可以計算出測量傳感器到液面（粉體表面）所距離，
即測量出液面（粉體表面）位置。其傳感元件有二種，一種是由線圈、磁鐵和膜
構成的，另一種是由壓電式磁致伸縮材料構成的。前者產生10KHZ 的超聲波，后
者產生20－40KHZ 的超聲波。超聲波的頻率愈低，距離的衰減愈小，但反射效率
也小。

????? 一般地說，在空氣（或真空中），介電常數等于1 ，在所有其物料中，介
電常數總是比1 大。因此，在空氣與物料的介面上，由于介電常數的差別，總會
產生一個回波。最小介電常數之差約為0.5 ，即物料的最小介電常數約為1.5.

????? 2 　三種新型連續物位測量傳感器的功能特點、PLC 接口技術的分析比較

????? 2.1 　雷達測量傳感器的功能分析及PLC 接口

????? 2.2.1 　功能特點：

????? 雷達傳感器連續，非接觸測量傳感器探頭到介質表面的距離。不同的距離
對應不同的物位。應用特殊的調整間隔時間技術，將每秒種3 ，600 ，000 個回
波圖放大、定位，然后分別進行整合、判斷，以每0.1 秒精確地分析處理這些被
放大的回波信號，節省分析頻率的時間。雷達信號是一種特殊形式的電磁波，其
物理特性與可見光相似。根據量子論觀點：雷達信號可以穿透空間，傳播速度相
當于光速。

????? 雷達信號是否可以被反射，取決于兩個因素：①。被測介質的導電性；②。
被測介質的介電常數；所有導電的介質都能很好地反射雷達信號，盡管介質的導
電性不是很好，也能被很準確地測量。

????? 雷達測量傳感器可以測量所有介質電常數> ；1.5 的介質（空氣的介電
常數是1 ）。介質的導電性越好或介電常數越大，回波信號的反射效果越好。

????? 2.1.2 　分析處理

????? ①智能自動

????? 雷達測量傳感器采用先進的電子部件，測量效率很高。能夠探測到比十億
分之一還短的雷達信號運行時間，還將多年的物位及雷達測量技術應用于智能信
號分析處理。

????? 它的參數可以被調整并存儲在一個記憶存儲器里。內置一個數據庫支持此
記憶存儲器，數據庫內有多年來雷達物位測量的經驗參數。與人類記憶相似，數
據庫的記憶是長期記憶，歷史存儲器相當于短時記憶，雷達信號的圖片相當于瞬
時記憶。

????? ②計算概率

????? ECHOFOX ？按照計算概率的方法（模糊邏輯）連續快速計算和判斷，哪些
回波圖是正確的，并且每0.1 秒重新給出物位。基于兩個數據庫的數據和實際的
回波圖，測量傳感器在很短的時間內作出決定。標有ECHOFOX ？的測量傳感器可
以根據經驗參數辨別有用回波和虛假回波，并將虛假回波濾出。

????? 2.1.3 　輸出信號與PLC 的接口

????? 測量傳感器的信號輸出和傳輸十分重要。有兩種輸出：

????? ①與物位成比例的0 / 4 ~ 20mA模擬信號；

????? 0 / 4 ~ 20mA模擬信號是一種通用的標準信號。適用于設計單點模擬量測
量或PLC / DCS 系統；

????? ②　與測量值成比例的數字型信號；

????? 數字型信號傳輸適用于大型測量系統，帶數字型輸出的傳感器可以任意聯
網。一根兩芯線纜上可以連接5 ~ 15個傳感器（數字型輸出）

????? 數字型輸出的特點是測量精度高，誤差小。

????? 2.1.4 應用場合

????? 雷達式測量傳感器不受溫度、壓力、氣體等條件的限制和影響，可無接觸、
精確地測量不同介質的物位，應用于灰粉、固態顆粒、高溫等各種工況，安全且
節省能源。在實際應用中，雷達料位的發射功率非常小，通過金屬容器外壁可以
將雷達信號完全隔離。（靜電屏蔽）

????? 2.2 相位跟蹤測量傳感器的功能分析及PLC 接口

????? 2.2.1 功能特點：

????? 相位跟蹤法是通過測量發送RF（Radio Frequency ）射頻波與從物料表面
反射回波之間的相位角來測量物位的。RF波是在一根垂直懸掛在料倉內的傳輸線
（即傳感元件）中傳播的。發送RF波與反射波之間的相移是RF波沿傳輸線向料面
移動，然后再返回頂部時所走過的距離直接度量。該測量方法取決于物料的性質，
與介電常無關。因為RF波的傳播不隨壓力和溫度條件變化，所以物料讀數將在過
程物位測量常溫、常壓下保持穩定。在粒狀和粉狀物料中，這種測量方法不受加
料過程中粉塵、氣力輸送中空氣擾動的影響，罐內的粉塵對其檢測的影響亦較小。
測量液體時，不受液體種類、比重變化、介電常數及液體在探頭上凝結物的影響。

????? 2.2.2 　分析處理

????? 料倉測量過程與物料性質無關，這是解決多年物料測量難點的重大突破。
因為按相位跟蹤原理，其測量的是物料上面空間的高度，而不是物料本身，所以
與物料無關。料位測量的結果不取決于料倉內電容或導電率的物理特性；介電常
數的變化僅改變反射信號（Rx）的幅值，而不改變Tx與Rx之間的相位。因此，利
用這個測量原理可以在介電常數變化的條件下工作。另外，因為充滿粉塵的空氣
和粘附在探頭的物料，它們所占據的空間，與探頭周圍的測量空間相比是微不足
道的，故加料過程中的粉塵及因溫度變化而引起的介電常數的變化、料倉的結構，
如高度、直徑等這些固體料測量中的干擾均不會影響相位跟蹤法的測量精度。RF
波本身的檢測特點決定相位跟蹤物位檢測傳感器可不受罐內溫度變化、物料被攪
拌的的影響。

????? 2.2.3 　輸出信號與PLC 的接口

????? 根據公式：，

????? H ：料倉中料位高度，

????? Ho：料倉總高（探頭長度），

????? L ：探頭頂部到料面的距離，

????? V ：速度，

????? ：f2與f1的頻率差。

????? 因為V 是固定的值，可不需現場校準。采用智能傳感器控制掃頻過程，測
出頻率（f2，f1），就能自動計算出料倉內的料位高度H.

????? 智能化測量算法采用自校核技術；用PCBUS 診斷軟件進行RS232C數椐口通
迅，提供就地指示、控制接點，4 ~ 20 mA 輸出及2 個串行數椐器，可分行供RS232
/ RS485 使用。

????? 2.2.4 　應用場合

????? 不需對溫度及壓力進行補償。因射頻波可以固定的速度在真空、空氣中傳
播，它不受溫度、壓力、灰塵的影響。相位跟蹤需要的能量很小，它的本質是安
全的。

????? 2.3 　超聲波跟蹤測量傳感器的功能分析及PLC 接口

????? 2.3.1 功能特點

????? 非接觸式超聲波物位測量系統由兩部分組成：一個超聲波信號換能器和一
個遠距安裝的電子發收器。換能器不斷發射一系列的超聲波脈沖并接收自被監測
的液體或固體表面返回的反射回波。發收器中的微處理器將信號轉換成距離、物
位或體積，并將此數據作為LCD 數字讀數顯示。

????? 超聲波換能器具有內藏式溫度補償和高輸出的特點，可提高自清潔能力。
采用可增強換能器靈敏度的動態阻抗匹配（完美的發射/ 接收匹配）以使回波幅
度達到最大。

????? 在理想條件下，監測一個容器中的液體或料位，接收來自反射表面的單個
強回波是一個簡單的過程。但在實際應用中，來自擾動、粉塵和來自虛假目標幻
影的回波、泡沫、蒸氣及因距離產生的聲衰減效應等許多因素，使測量工況變得
復雜；這是限制系統測量能力的一部分。現在的聲波智能TM回波處理軟件，加上
新的換能器，可以彌補以前超聲波傳感器不能涉足的場合。

????? 2.3.2 分析處理

????? ①電子單元中樞，聲波智能TM軟件使AiRanger DPL Plus 和XPL 　Plus具
有獨特的回波包絡線數字化，以區別由固體或液體表面反射的真正回波與由容器
障礙物和聲學或電氣噪聲產生的虛假回波。

????? ②人工智能為適應工況條件變化采用高可靠性處理原始回波包絡線的軟件，
該軟件采用曲線成形、統計分析、回波再造和數字濾波器等特殊技術來消除電氣
干擾和窄回波的影響。由于回波包絡線被不斷貯存和刷新，包絡線的平均化減小
了隨機聲波反射的影響。識別和剔除來自容器障礙物的幻影、焊縫的回波形狀、
電氣尖峰的上升時間、攪拌器葉片的隨機聲波反射；重新構造因由振動和凹凸不
平的表面所引起的破碎回波，確保惡劣環境下的穩定測量。

????? 2.3.3 輸出信號與PLC 的接口

????? ①預設置和微調

????? DPL 　Plus和XPL Plus系統出廠前已預設定值，滿足各種固體和液體應用
場合的要求，在現場根據實際的固體或液體中選擇，并輸入容器尺寸，控制單元
即可啟動和運行。

????? ②編程簡單

????? 用快速啟動軟件可進一步對特定的過程的細調 .通過快速編程選擇所需的
工程單位（% ，ftm 等）顯示物位、空間、距離或體積，調整對任何倉罐中的物
位變化的跟蹤速度。在設置和運行時可觀察編程值，不必查詢它關閉過程或不同
顯示模式之間的切換；以通訊轉換器選件BIC11 為兩種控制單元提供同樣的連接
至主機、PLC / DCS 系統。

????? 2.3.4 應用場合

????? 超聲波換能器被熔接密封在材料Kynar 的外殼中。不同場合應用選擇不同
材料系列，額定溫度范圍為－40 ~ 150℃（－40 ~ 302°F ），測量距離為10m
（33ft）~ 60m （200ft ）。檢測物料以飛灰為例。選擇溫度范圍為－40 ~ 95
℃（－40 ~ 203°F ），測量距離為10m （33ft） ~ 40m（130ft ）。可滿足苛
刻的現場工作環境。并在高溫、潮濕、粉塵中獲得最大的聲功率輸出。

????? 3 　選型設計應用的基本原則

????? ①應用條件：適應測量液體或固體的物位及到被測介質的距離，發射能量
很小，不影響人體安全，可以在真空條件下測量，可以測量所有介電常數＞1.5
的介質；

????? ②測量精度：測量分辨率 <； 1mm，量程≥0 ~ 35m ，精度 <； 0.1
% ，無溫度時間漂移；材質穩定，測量準確；

????? ③適應性強：不受噪音、蒸汽、粉塵、混合氣體和氣體夾層的影響，不受
介質密度和溫度的影響；

????? 非接觸測量，耐磨損工作壓力≥64bar ，介質溫度超過1000℃；堅固耐用，
耐化學腐蝕；

????? ④功能完整

????? （A ）兩線制技術：0 / 4 ~ 20mA輸出或數字型輸出共用同一根兩芯線纜
；

????? （B ）任意聯網，一根兩芯線纜上可以連接15個傳感器（數字型輸出）；

????? （C ）可以連接任何符合標準協議通訊口的BUS 系統；

????? （D ）測量傳感器可帶一體式顯示，可以單獨顯示。

????? ⑤維護簡單：免維護，電源合理，調試方便。

????? 4 　應用實例

????? ①灰位測量

????? 灰庫是暫存飛灰的最后區域，土砼結構，庫內存在著高溫、潮濕、粉塵粘
附等因素。監測灰庫灰位的變化有助于整個飛灰系統的正常輸送，灰位測量的正
確與否是和輸灰控制系統構成連鎖的關鍵條件之一；原傳統的灰位測量傳感器大
多統配置重錘式、電容式，其精度及輸出信號是能夠滿足與PLC 標準接口要求的。
但實際應用受一定條件的限制，尤其不適應封閉式灰庫的檢測，經常發生斷錘、
埋錘等現象。作者曾在4 ×300MW 機組電廠參加過1 ＃/ 2 ＃爐細灰庫物位測量
傳感器的技術改造，將射頻導納式測量替代原重錘式測量。據介紹，其探極由TWFLE
材料特制而成，可不受灰庫粉塵飛揚粘附的影響，且具有拆卸方便，安裝靈活
（即二次儀表壞，不影響探極）等優點。經過一段時間的試用證明效果并不理想，
發現數據漂移嚴重，甚至在顯示上出現死數據的現象。后在3 ＃/ 4 ＃爐粗、細
灰庫分別改用相位跟蹤測量和雷達式測量傳感器取得了比較理想的效果。本廠灰
庫灰位測量選用MILLTRONICSDE 的Airanger SPL——519 單點抗粉塵超聲波測量
傳感器，測量范圍在15 m左右，目前使用效果不錯。

????? ②脫水倉測量

????? 脫水倉是一個水渣（泥漿）混和物容于一體的敞開式容器。以前的設計僅
在于對倉內液位變化作簡單的測量，其輸出信號不參于系統聯鎖，故這一測量裝
置僅起報警作用，大多選用重錘式料位測量傳感器，應用效果并不理想。而實際
真正需測量的是渣位（灰水混合物）的變化，現在改用Sensall4901SL 型污泥/
泥漿音叉式控制。該傳感探頭為一不銹鋼結構及氣密的 C型傳感器。傳感器包含
2 只超聲波變送器，相互分開成規定的間隔，構成超聲波系統的發送與接收。當
發送的超聲波信號通過含有懸浮固態、液態時，比通過清水有較大程度的衰減，
通過超聲波信號振幅的增加與減小，激活繼電器的動作，輸出信號，激活外部設
備（脫水倉放渣門）動作，同PLC 構成一個完整的閉環控制，基本能滿足工藝要
求。

????? 結束語

????? 選型設計好飛灰/ 底渣島物位測量傳感器是熱工自動控制的一個新課題，
作者根據多年參加大型火力發電廠飛灰/ 底渣島建設及檢修的工作經驗，對飛灰
/ 底渣島物位測量傳感器的選型設計提出三條建設性的意見①滿足工藝要求，適
應現場工況條件；②輸出標準信號，接口控制簡單；③抗干擾能力強，維護方便。
結合電廠生產現場應用的工況，全面提高物位測量傳感器的檢測水平，是清潔發
電、安全發電工作實踐獲得成功得必然條件。

????? [ 參考文獻]

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????? [2] CELTEK LM-7000 Phase Tracking System Product Description 1998
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