微硅粉增密仓料位监测装置的分析

缪 韡,巩建国,段广云,赵 兵

（青海大学机械工程学院，青海西宁,810016）

微硅粉增密仓料位监测装置的分析

缪 韡,巩建国,段广云,赵 兵

（青海大学机械工程学院，青海西宁,810016）

利用微硅粉增密技术可提高硅粉的自然松散密度，但由于增密装置处于密闭状态，储灰仓出灰情况无法监测而极易导致因料位超限引起的输料管道堵塞的问题。文章针对这一问题设计了以单片机和压力传感器为测试核心的微硅粉增密仓料位适时监测装置，利用压力和粉料高度的换算关系来实现粉料料位的监测，成本低、精度高，解决了微硅粉增密仓料位无可靠实用监测手段的现状。

微硅粉；料位；监测；压力传感器

0 引言

微硅粉是在矿热炉冶炼硅铁或工业硅时产生的一种有价副产品，在北欧叫凝聚硅灰，在美国和加拿大又被称为硅灰。在矿热炉中进行硅铁或工业硅冶炼过程中产生大量挥发性强的二氧化硅和硅气体与空气接触迅速氧化并冷凝生成沉淀，然后经过除尘环保设备进行回收可得到超细无定形的微硅粉粉体，其主要成分是二氧化硅，外观为灰色或灰白色。微硅粉中的二氧化硅为无规则网状结构球形物质，具有优异的火山灰活性及理化性能，可以广泛应用在特殊建筑工程中使用的混凝土、耐火材料、水泥等领域。

微硅粉增密技术在保证原微硅粉基本特性不变的前提下，通过物理方法提高硅粉的自然松散密度，成倍地减少微硅粉的储运空间，使硅粉在包装、运输和二次使用时，降低运输成本、避免浪费和减少二次污染的发生。

微硅粉增密设备由输灰装置、储灰装置、增密装置、输气系统和排气系统组成。增密储仓容量一般在90~200m3，增密工艺要求粉料料位高度为料仓高度的三分之一。而整个输灰管道、储灰装置均为密闭状态，各储灰仓出灰情况无法监测，经气力输送到增密仓中的微硅粉数量也就无法定量。当矿热炉炉况出现异常导致出灰量较大时，极易出现整个输灰管道全部堵塞的现象，加之管道均为密封状态，外形尺寸较大，较难清理，一旦出现此种情况将造成较大经济损失。

1 系统总体方案选择

为解决上述问题必须有增密仓料位监测装置来实时监测粉料的高度，目前国内增密设备的粉料监测方法主要有以下三种：

（1）采用人工吊线工艺测定料位，此种方法需在增密仓增开测量孔，容易出现孔盖关闭不严而造成微硅粉外泄的现象；

（2）在增密仓高位极限位置加装机械式料位器测定料位。由

于微硅粉密度小，故需使用较大的阻尼桨叶才能实现可靠监测，这样容易造成粉料中出现较大空穴，引发事故；

（3）采用超声波料位计测定料位，监测准确但成本较高。

以上料位监测方法均存在一定的缺陷，本着实用、低成本的原则，本文研究出了一套基于单片机及压力传感器的微硅粉增密仓料位适时监测系统。

通过对微硅粉自然堆积密度的测定可知，其在一定时间内是稳定的，并且微硅粉具有较好的流动性，自然堆积角度基本为零，因此可利用压力和粉料高度的换算关系来实现粉料料位的监测。系统的总体结构方案为，压力传感器将采集的微硅粉压力信号通过模数转换器传输给系统的中央控制单元——单片机，单片机对接收的信息进行运算处理，并将料位高度送入数码管进行显示，若粉料已空或已满产生报警信号，通过声光报警器通知用户。

2 系统硬件设计

2.1 电源模块

220V电压经变压器转换为9V，再经过由四个二极管组成的整流器整流，输入到7805稳压电源的1管脚，稳压后7805的3管脚输出5V直流电源，可以给单片机、数码管等供电。运放AD620与模数转换器AD574需要的是+15V的电源，由直流—直流的转换器来实现。

2.2 传感器及模数转换模块

图1 电源模块电路原理图

图2 数模转换模块电路原理图

已知增密仓的直径和粉料的最大允许高度，可计算粉料的最大压力为13MPa，测量精度为0.02m，因此选择CYB13PI型号压力

传感器进行微硅粉压力检测并选用4~20mA电流信号进行信号传输。AD620接收来自传感器的电流，经放大滤波后输出电压，以此满足AD转换器量程要求。模数转换器AD574实现模拟电压到数字量的转换。数模转换模块原理图如图2所示。

2.3 显示及报警模块

单片机采用AD89S51作为整个电路的控制核心，对模数转换器输入的数字量信号进行计算处理，将压力传感器得到的压力信息转换为相应的料位高度，当采集的数据在允许范围内时，只是把结果显示在数码管（LED84S）上，当超出范围时，通过发光二极管闪光和扬声器发声来报警。显示及报警模块电路原理图如图3所示。

图3 显示及报警模块电路原理图

3 系统软件设计

微硅粉增密仓料位监测装置软件流程图如图4所示。压力传感器采集微硅粉的压力信号并转换成电压信号输出，通过模数转换器进行模数转换，得到数字量后进行料位计算，超出设置范围进行上下限报警，否则经数码管显示料位高度。

4 安装要求

压力传感器安装在增密仓底部卸料口上方，要求安装稳定并不影响微硅粉的自然堆积及系统出灰，对传感器需做好防尘处理。为防止环境磁场干扰，应将料位监测系统远离增密仓安装，以提高系统的工作精度和稳定性，同时做好信号线防护和屏蔽工作。

5 结论

经模拟实验，该装置反应灵敏可靠，可以准确地实现对微硅粉料位的监测，测量精度符合要求，操作简单，安装方便，综合成本低，较好地实现了预期设计要求。但目前该装置还不能进行增密工艺全过程的料位实时监测，自适应能力较差，需进行人工干预，因此设计方案有待进一步完善。

[1] 铁生年，姜子炎，汪长安.矿热炉冶炼铁合金回收微硅粉粉体应用研究与发展现状[J].硅酸盐通报，2012,31（6）：1491-1496.

[2] 巩建国.微硅粉增密设备及生产工艺存在的问题探讨[J].铁合金，2007，（5）：41-44.

[3] 刘晓华，盖国胜.微硅粉在国内外应用概述[J].铁合金，2009，（1）：35-37.

[4] 巩建国，段广云，缪韡，赵兵.微硅粉增密仓料位适时监测装置的探讨[J].铁合金，2010，（5）：29-32.

缪韡（1984、2），女，江苏省涟水县，汉，硕士研究生，讲师，主研方向：测试计量技术及仪器

巩建国（1966-），男，本科，教授，主研方向：机械设备制造

段广云（1979-），女，硕士研究生，副教授，主研方向：单片机与自动控制

赵兵（1982-），男，硕士研究生，讲师，主研方向：机械设计制造及其自动化

Analysis of micro silicon powder thickening silo material level monitoring device

Miao Wei，Gong Jianguo，Duan Guangyun，Zhao Bing
(School of Mechanical Engineering,Qinghai university,Xining,810016,China)

Natural loose density of micro silica fume can be improved by density treatment.Density device is in closed state，the quality of micro silica fume is unable to monitor which causing transport material pipe blockage by material position overrun.To solve this question,a real-time monitoring instrument for micro silica fume level of density device was designed.The microcontroller was adopted as control core. Pressure sensor was used to collect pressure signal of micro silica fume.Monitoring the material level is realized by means of converting pressure and height.The device in a low cost and high precision to solve the current unreliable monitoring situation of the transport material position of silica fume density stock bin.

micro silica fume；material level；monitoring；pressure sensor

图4 微硅粉增密仓料位监测装置软件流程图