一種礦熱爐電極長度測量裝置及其測量方法與流程
2023-06-23 03:16:56
本發明涉及一種礦熱爐電極長度測量裝置及其測量方法。
背景技術：
礦熱爐包括鐵合金爐、電石爐及黃磷爐等電弧電阻爐，可冶煉的產品有電石、黃磷、矽鐵、鉻鐵、矽錳、鎳鐵、剛玉、鈦鐵、鉛鋅等，其冶煉原理是利用電流預熱爐料、電離爐氣形成定向高溫離子流-電弧，將電能轉換成熱能，為還原反應提供足夠高的溫度場。礦熱爐是我國西北部地區使用較多的大功率工礦電氣設備，屬高耗電設備，運行過程中電力成本在生產總成本中佔相當大的比例，因此礦熱爐的節電挖潛不僅可以降低企業的生產成本，對節能、環保、減排也具有十分重要的地位。為了保證產品的優質、高產和低消耗，在冶煉過程中，要求控制爐內的溫度，使其保持在一個合理範圍內。電極深度是礦熱爐冶煉控制的主要目標。當電極插入過淺時，由於爐底功率密度不足，會造成結瘤和爐缸變冷，這對於需要大量熱能的礦石還原過程是不利的；反之，電極深度插入過深，會引起爐底和熔體過熱，金屬燒損大，料面上部變涼，下料速度變慢。礦熱爐三相電極深度直接影響爐內溫度，決定礦熱爐的冶煉效率和質量。通過調整電極深度，保持所需電弧的長度，就可以達到控制爐溫和爐內化學反應速度的目的。
在礦熱爐冶煉過程中，通常是依靠人工觀察電流或電壓大小，手動控制電極的升降：當電極電流或電壓大於規定值時提升電極；當電極電流或電壓小於規定值時下降電極。由於操作人員操作水平、操作習慣的不同，電極控制的一致性很難保證，並且，操作人員長時間精力高度集中引起的疲勞極易導致誤操作，其結果是產品質量不穩定、耗電量增加。隨著計算機和傳感器技術的進步，用傳感器測量電極長度，並利用計算機代替人工控制電極升降已成為礦熱爐電極智能控制的發展趨勢。
目前，測量電極長度主要採用兩種方法，即重量測量法和電流測量法。重量測量法通過測量電極的重量計算電極長度，但由於固體礦料對電極的摩擦力以及液體礦料對電極的浮力無法測量，因此電極長度的測量存在較大誤差。電流測量法通過兩電極之間的電流測量電極長度，但由於爐料的導電性隨溫度和爐料的熔化性變化很大，即使電極長度不變，兩電極之間的電流也會隨爐溫和爐料的熔化程度發生很大變化，電極長度的測量仍存在較大誤差。
技術實現要素：
本發明公開了一種礦熱爐電極長度測量裝置及其測量方法。測量裝置由兩部分組成，即超聲波傳感器和單片機。超聲波傳感器由超聲波發射模塊、超聲波接收模塊和信號採集、整流與模數轉換模塊三部分組成。超聲波發射模塊包括超聲波發射電路和超聲發射器，前者產生的交變電壓的頻率與後者壓電陶瓷晶片的固有諧振頻率f0一致。發射電路的開關是與單片機的一個輸出端連接的繼電器。超聲波接收模塊包括超聲接收器和回波聲壓信號放大與半波整流電路，超聲接收器壓電陶瓷晶片的固有諧振頻率也是f0。礦熱爐電極長度測量裝置安裝在電極上底面的中心位置，超聲發射器和超聲接收器的主指向與電極的軸線平行。單片機向輸出端發送一串寬度為τ秒的脈衝方波信號，超聲波發射電路導通τ秒，在此期間，超聲波發射模塊連續發射的超聲波，從電極上底面中心向下傳播，到達電極邊界後部分超聲波回波返回超聲接收器。單片機記錄超聲接收器的聲壓數據及其對應的發生時間，由此計算出電極長度。本發明的積極效果是：測量的電極長度為單調遞減數據，而不是經處理後才能得到單調遞減數據，因此更符合實際。
附圖說明
圖1是礦熱爐電極長度測量裝置示意圖，圖2是超聲波在電極中傳播路線對比示意圖。
標號說明：
1超聲波傳感器，2單片機，3超聲波發射模塊，4超聲波接收模塊，5信號採集、整流與模數轉換模塊，6單片機輸出端
具體實施方式
礦熱爐電極長度測量裝置由兩部分組成，即超聲波傳感器(1)和單片機(2)。超聲波傳感器(1)由超聲波發射模塊(3)、超聲波接收模塊(4)和信號採集、整流與模數轉換模塊(5)三部分組成。超聲波發射模塊(3)包括超聲波發射電路和超聲發射器，前者產生的交變電壓的頻率與後者壓電陶瓷晶片的固有諧振頻率f0一致。發射電路的開關是與一個單片機輸出端(6)連接的繼電器。超聲波接收模塊(4)包括超聲接收器和回波聲壓信號放大與半波整流電路，超聲接收器壓電陶瓷晶片的固有諧振頻率也是f0。
礦熱爐電極長度測量裝置安裝在電極上底面的中心位置，超聲發射器和超聲接收器的主指向(聲壓最大的方向)與電極的軸線平行。當進行電極長度測量時，單片機(2)向單片機輸出端(6)發送一個串寬度為τ秒的脈衝方波信號，超聲波發射電路導通τ秒，在此期間，超聲波發射模塊(3)連續發射的超聲波，從電極上底面中心向下傳播。
如圖2所示，r表示電極半徑，l表示電極長度，θ超聲波的指向角。當l＞r/tanθ時，超聲波接收模塊(4)最早接受的回波不是由電極底面反射的，而是由電極側面反射的，因此以超聲波的發射和接收時間間隔不能確定電極長度。為保證電極長度測量方法能夠適應電極長度和超聲波指向角變化，電極長度測量可以藉助超聲波傳感器的指向特性。
超聲發射器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構成，主指向聲壓最大、角度逐漸增大時，聲壓逐漸減小。由於超聲發射器的主指向與電極的軸線平行，沿主指向傳播的超聲波到達電極底部後反射的回波聲壓最大。沿其它方向傳播的超聲波到達電極表面後也產生回波，不過其回波聲壓隨傳播方向偏離主指向角度的增加而遞減。超聲接收器的聲壓是各方向上回波聲壓迭加的結果。最早被超聲接收器接收的回波由b、c連線上的點反射，順序與距b點的距離一致；其次是c、d和e、d連線上的點，順序分別與距e、c兩點的距離一致。由於沿主指向傳播的超聲波的回波聲壓最大，當該回波返回時超聲接收器的聲壓開始變大，一直持續到該回波結束。因此，通過記錄超聲接收器的聲壓數據及其對應的發生時間，就可以辨識出沿主指向傳播的超聲波的回波返回超聲接收器的時間，與單片機發送脈衝方波的時間間隔的一半就是超聲波從電極上底面到下底面的時間，由此就可以計算出電極長度。
單片機(2)記錄發送脈衝方波的時間t0，超聲波接收模塊(4)接收超聲波，信號採集、整流與模數轉換模塊(5)採集超聲波接收模塊(4)接收的超聲波聲壓信號，並進行模數轉換後送單片機(2)，單片機(2)記錄聲壓數據及其對應的接收時間。以δt＝τ/k＜1/(2f0)表示信號採集與模數轉換模塊(5)的採樣周期，其中k是電極表面反射的超聲波被採樣的次數。由於電極的長度有限，比如不超過10m，因此超聲波接收模塊(4)可接收回波的時間不超過(0.1+τ)秒。記n＝e((0.1+τ)/δt)，單片機(2)接收的數組記為
(t0+iδt，vi)i＝1，2，…，n
此時超聲波傳感器(1)的工作結束，單片機(2)進入數據處理階段。記
v＝max{v1，v2，…，vn}
vn＝min{v1，v2，…，vn-k+1}
其中1≤n≤n-k+1，則t0+nδt就是沿主指向傳播的超聲波回波被超聲波接收模塊(4)接收的時間，因此電極長度為
l＝340×(t0+nδt-t0)/2＝170×nδt。