称重式传感器在料位测量中的应用及探讨

卢 鑫，施红武，卢有成

（1.内蒙古京宁热电有限责任公司，内蒙古自治区 乌兰察布 012000；2.山东枣庄南郊热电有限公司，山东 枣庄 277100；3.内蒙古科迪自控设备有限公司，内蒙古自治区 鄂尔多斯 014300）

0 引言

物位测量方法，因被测对象和被测介质复杂多样，而有形式各异的物位检测原理和方法。随着电子传感器件的不断发展和进步[1]，从最原始的机械浮球或水银柱指示，以及云母器材到今天的雷达、超声波、无源核子、测速电机、重力感应、电感电阻、电容式等多种多样，形式各异。但无论哪一种，都各有特点，因被测对象或者介质变化而不能简单概之。如工业脱硫脱硝的污水池水位，水的纯度不稳定，池内也有部分蒸汽，假如用电容式，其电介常数不断变化，水位不会是电容的单一函数。再比如用超声波物位计，因为水蒸气凝结于喇叭口，而导致测量失灵。

图1 简易式开关量灰位测量示意图Fig.1 Simple switch ingenuity grey level measurement schematic

本文根据在火电厂和钢厂以及水泥行业的固体物料，比如原煤或其他矿石固体颗粒的测量，由于受其本身颗粒度不均，并常伴有水分、粉尘等因素的影响，几乎没有可靠简单的测量手段。现场常常采用核辐射射线或者钢带重锤原理的比较多，偶尔也有采用超声波或高频雷达作为连续监测手段，用输出的4mA～20mA模拟量信号作为相应的料位。可是，不论哪种手段，在现场使用过程中都难以长期稳定运行，更无法精确校准。核辐射的测量方式应属于放射源，安装、校准、检修以及废弃存放，都涉及到工作人员防护措施和环保要求，一般不建议选用。众所周知，昂贵的重锤钢带式虽然原理简单可用，但是往往常年累月的运行中，重锤和钢丝绳容易被物料粘裹、磨损或埋锤经常发生，导致钢丝绳断裂或掉锤的故障，影响料位的稳定测量，给运行和检修维护带来不便。在此恶劣的粉尘环境里，选择高频雷达的测量原理虽然没有问题，可是原煤斗或者是灰仓物料形状不规则，加之粉尘浓度较大，容易遮堵雷达源的探头喇叭口，以及安装位置对测量误差影响较大，这些诸多因素都无法满足测量装置的长期稳定运行。因此，寻找一种安全、经济、可靠稳定的测量手段显得非常必要，这也是所有专业人员需要思考的问题。

为此，本文提出一种在粉尘环境料仓的基础上，通过安装称重传感器的方式，把物位测量转化成一个料仓静态重量检测的方法，期待在设计原煤仓或者灰仓的时候，土建和机械专业能够给与配合，这是一种简单可靠而且无传动元件的一种静态称重测量手段。

1 煤粉仓和灰仓等物位测量对象的特点

1）可靠性：希望测量设备简单可靠，测量准确，维护量小，长期在线无故障。

图2 称重盘测量示意图Fig.2 Weighing disc measurement schema

2）物料堆放的锥体不规则：因为物料堆放的形体不规则，无法界定准确的界面，所以测量物位时，不能准确测量真实的料位，取样口的位置选择相对而言尤为重要。

3）环境工况恶劣：料仓料位测量区域粉尘较大，环境恶劣，给安装、维护带来了不便。

4）无法校准和开孔：运行过程中无法对真实的料位进行校对维修，不便于维护和故障维修诊断。

2 采用称重传感器测量物位的方法

鉴于以上所述，根据被测对象的特点，由此构想出一种衡器称重的方式，其原理简单，维护方便，可靠性好，对于规则容器可以通过重量测量，来反映料仓内的真实料位和物质量的多少。因为测量物位也是为了知道料斗内部物质的多少，也许这样更直接方便。对于采用称重原理这一方式，在设计的时候，打破专业界限，土建、工艺设备、控制专业互相配合，做到优化设计，安全可靠，确保可靠稳定运行。为方便运行维护，只需要在大修周期更换或校核称重元件即可。具体设计如图1所示，以称重传感器为核心的一种料位测量结构图。

1）如图1所示，这是一种按照模拟量或者开关量设计的测量简图。假定被测对象是一个灰斗，灰的介质的密度相对稳定。“灰斗高料位”和“灰斗低料位”是两个称重传感器[2]。这里采用一种压电方式的称重传感器，如图2所示。

当有一定重量的物料落到托盘，直到把托盘埋入的时候，称重传感器会有一个电压输出，把这个电压信号送到DCS系统转化，可以做出料位的画面状态，也可以做出高低料位状态的报警状态指示。当物位达到一定高度，也就是托盘的压力达到一定的重力，可以设定发出料位报警信号而触发报警，报警的不灵敏区间范围根据介质特点和现场设定，在现场通过DCS系统或用继电器等方式转化所需要的信号状态。对于高、低料位处设置应变感式传感器，测量输出可以是开关量信号，也可以输出模拟量信号，根据工艺流程需要可以任意选择。这种方式的安装位置，根据容器材质和实际需求位置开孔安装。

托盘的形状和尺寸不需要太大，为了防止物料堆积，在设计制作的时候，最好做一个半球形状，或者是伞形，如图2所示，这样可以防止物料堆积引起信号误触发。

图3 简易式灰库物位测量示意图Fig.3 Simple ash reservoir level measurement schema

2）如图3所示，有一些地方作为报警和保护信号，为了可靠，可以安装两个状态监测信号，保证了信号的准确性。按这种方式，高料位处设置应变感式传感器，测量输出可以是开关量信号，也可以输出模拟量信号。开孔位置，根据容器材质和特点选择，为了测量可靠，用两个应变称重测力传感器，采用二选一的方式，保证了测量的可靠性。

在介质密度稳定的情况下，规则形状的料位和重量是一个固定比例的函数关系，所以通过应变感应的称重传感器在测得重量的时候，也就可以换算出相应的料位。反之亦然，然而，有一些被测对象更重视容器内部的物料多少，比如粮库。这种方式，更适应于密度稳定的介质，安装前期，把应变测量重力的位置选择好，设计的时候在容器的底部安装一个或者是多个称重传感器，测量整个容器的重量，去掉空仓时候的毛重，这就是物料的重量，如图4所示，给出了一种参考的示意图。

压电传感器的安装位置，根据被测对象，像静态轨道衡器一样安装测量，这是一个比较可靠和成熟的技术。在衡器检测方面，已经获得了广泛的应用。为了可靠，实际现场一般是多安装几个传感器，在控制系统内部（比如DCS系统）进行传感器故障在线诊断和计算信号平均值，或者三取二的逻辑方式，能够使信号准确可靠，有一个故障的情况下，也能保障测量正常使用。称重压电传感器安装的具体位置，根据不同对象，设计时选择维护方便和便于更换的地方，这样压电传感器输出与重量对应的物位电压信号。传感器的数量和位置选择，可以是测量整个仓或库的重量，也可以通过测量一个分力，反之计算总重量，根据工艺系统因地制宜。总之，只要简单可靠，便于维修使用。使人（安装维护人员）、机（机器）、环（环境）的界面达到最佳，不需要太多的运行维护工作。

图4 原煤斗或固体颗粒料仓的称重测量料位Fig.4 Weighing the measuring level of raw coal hopper or solid particle silos

3 推广的可行性和意义

通过应变感应传感器组成的称重传感器用于测量物位，是一种新型的应用技术，为一些环境恶劣，测量介质特殊的粉、煤、灰和矿石，以及污水或者粮食等介质的测量，提供了一种可行的方法。本文作者曾于1992年，用来测量地下水位[3]。如今测量一些固体颗粒也有广阔的前景，指导同行推广使用。希望今后的工程设计中，机、电、仪专业紧密配合，把煤仓和灰仓等这些比较复杂的介质的测量简单化，让复杂被测对象的物位测量能够更简便、更可靠，更经济地满足工艺系统的稳定运行。