專利名稱：一種非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測料位領(lǐng)域，具體是一種非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)及其檢測方法，尤其是用于以非金屬材料或金屬外殼，非金屬內(nèi)襯作倉壁的料倉和容器中，料位檢測方法與裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)中，許多料倉廣泛應(yīng)用于存儲原材料，生產(chǎn)中間體和成品，及其生產(chǎn)過程的倉體或容器。對料倉內(nèi)的儲料狀況，即料位，一般都需要測量，其中一種方式為連續(xù)性測量，另一種為上、下限限位測量。料位連續(xù)性測量是對料倉內(nèi)的物料料位值進行連續(xù)性測量。
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料倉料位測量的另一種方式稱為上、下限限位測量，是指在料倉上設(shè)置上、下二個限位點，通過測量料位有沒有到達該測量點，從而能將物料能控制在兩個限位點中間，這種檢測限位點所設(shè)的判斷物料是否到達的傳感器稱為料位開關(guān)。其當(dāng)上限料位開關(guān)檢測到有物料時，說明倉內(nèi)料位很高，其發(fā)出開關(guān)信號給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器可通過組織加快排料和減少進料的方法，使倉內(nèi)料位下降。當(dāng)下限料位開關(guān)檢測到物料沒有到達時，也相應(yīng)地發(fā)出開關(guān)信號到系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器可通過組織增加進料和減少排料，使倉內(nèi)料位上升。由此，上、下限料位開關(guān)的檢測可起對極限料位進行報警的作用。在現(xiàn)有的料位開關(guān)檢測技術(shù)中，通常使用的是接觸式料位開關(guān)，其主要有音叉料位開關(guān)，阻旋料位開關(guān)，電容式料位開關(guān)，射頻導(dǎo)納料位開關(guān)。這些接觸式料位開關(guān)的共同點是必須在限位檢測點開孔安裝，其檢測感應(yīng)元件必須和被測物料接觸，由此會帶來使用壽命短，維護困難等一系列問題，特別是在高溫和有腐蝕等特殊場合下，其使用受到很大的限制。目前實際應(yīng)用的非接觸式料位開關(guān)是Y射線法，但是由于其產(chǎn)生射線對人體有害的輻射，所以一直處于國家標(biāo)準(zhǔn)限制性使用。而中國專利CN102322920A所公開的技術(shù)方案中，利用超聲波作為非接觸式的料位開關(guān)，其能解決一些料倉料位檢測。但由于超聲波是機械波，其波速隨溫度變化而變化，所以在高溫及溫度變化較大的工況下，物料檢測就存在問題。而且對倉壁有內(nèi)襯，外壁和內(nèi)襯有間隙的場合也不宜使用。使用中，同時存在需要不斷加粘合劑的維護工作。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷，本發(fā)明是提供一種非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)及其檢測方法，其能夠便捷地判斷料倉內(nèi)的物料是否達到料倉設(shè)定點。本發(fā)明的技術(shù)方法為一種非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，所述開關(guān)包括定向電磁波發(fā)射單元I和磁波接收單元2，所述磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2位于料倉所需測量高度的同一水平高度，所述電磁波發(fā)射器I和電磁波接收器2分別安裝于料倉外部的兩側(cè)的料倉壁3上，定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2之間構(gòu)建一電磁波通道4。所述料倉壁3為金屬外殼或金屬外殼非金屬內(nèi)襯。所述定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2使用的電磁波頻率O.1-5GHZ。所述定向電磁波發(fā)射單元I包括電磁波發(fā)射電路1-1、與電磁波發(fā)射電路1-1連接的天線1-2、電源接口 1-3和調(diào)試串口 1-4。所述定向電磁波接收單元2包括電磁波接收電路2-1、分別與電磁波接收電路2-1連接的天線2-2和中央處理器2-3，以及與中央處理器2-3連接的電源接口 2-4、調(diào)試串口2-5和繼電器2-6。本發(fā)明還提供一種非接觸式檢測料倉料位的方法，在所述方法中將磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2位于料倉所需測量高度的同一水平高度，所述電磁波發(fā)射器I和·電磁波接收器2分別安裝于料倉外部的兩側(cè)的料倉壁3上，當(dāng)料位沒有到達所需測量高度的料位時，接收器能夠收到來自發(fā)射器的一個較強的電磁波信號；當(dāng)料位達到料倉設(shè)定的位置時，電磁波接收器收到一個較弱的電磁波信號或無法收到電磁波信號。所述定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2使用的電磁波頻率O.1-5GHZ。在料倉所需測量點的相對兩側(cè)，分別安裝一個電磁波定向發(fā)射裝置和電磁波定向接收裝置，形成了一個電磁波通道。電磁波的頻率，根據(jù)倉壁的材料與厚度及料倉的直徑大小確定，可在O. I 5GHZ內(nèi)選擇。工作時，調(diào)整好發(fā)射器功率大小。當(dāng)料位沒有到達設(shè)定點的料位時，接收器能夠收到來自發(fā)射器的一個較強電磁波信號；當(dāng)料位達到料倉設(shè)定的位置時，來自發(fā)射器的電磁波必須穿過倉壁，且必須穿過物料的介質(zhì)，此時，電磁波接收器收到的信號必然減弱，甚至無法收到。由此，可根據(jù)電磁波接收器收到信號的強弱對比，分別發(fā)出是否達到料位的開關(guān)電信號。需要強調(diào)的是本發(fā)明中使用的是小于5GHZ的電磁波，是充分利用了低頻電磁波在非電介質(zhì)中的低損耗性，確保檢測的電磁波穿透非金屬，并能運用低功率方式實現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的技術(shù)方案和中國專利CN102322920A所公開的超聲波技術(shù)方案相比，其不受介質(zhì)溫度的影響，與倉壁的厚度關(guān)系不大，不需要使用粘合劑等附加售后保障工作。


圖I :定向電磁波發(fā)射單元結(jié)構(gòu)圖。圖2 :定向電磁波接收單元結(jié)構(gòu)圖。圖3 :料位沒到達測量點電磁波通道圖。圖4 :料位到達測量點電磁波通道圖。圖5:料位沒到達測量點電磁波穿過界面圖。圖6 :料位沒到達測量點電磁波穿過界面圖。圖7 :金屬外殼,非金屬內(nèi)襯倉測量圖。圖8:實施案例圖。圖9 :電磁波穿過介質(zhì)能量損耗與頻律關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明如圖I至圖8，一種非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，所述開關(guān)包括定向電磁波發(fā)射單元I和磁波接收單元2，所述磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2位于料倉所需測量高度的同一水平高度，所述電磁波發(fā)射器I和電磁波接收器2分別安裝于料倉外部的兩側(cè)的料倉壁3上，定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2之間構(gòu)建一電磁波通道4。料倉壁3為金屬外殼或金屬外殼非金屬內(nèi)襯。定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2使用的電磁波頻率O. 1-5GHZ。定向電磁波發(fā)射單元I包括電磁波發(fā)射電路1-1、與電磁波發(fā)射電路1-1連接的天線1-2、電源接口 1-3和調(diào)試串口 1-4。·定向電磁波接收單元2包括電磁波接收電路2-1、分別與電磁波接收電路2-1連接的天線2-2和中央處理器2-3，以及與中央處理器2-3連接的電源接口 2-4、調(diào)試串口 2_5和繼電器2-6。本發(fā)明還提供一種非接觸式檢測料倉料位的方法，在所述方法中將磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2位于料倉所需測量高度的同一水平高度，所述電磁波發(fā)射器I和電磁波接收器2分別安裝于料倉外部的兩側(cè)的料倉壁3上，當(dāng)料位沒有到達所需測量高度的料位時，接收器能夠收到來自發(fā)射器的一個較強的電磁波信號；當(dāng)料位達到料倉設(shè)定的位置時，電磁波接收器收到一個較弱的電磁波信號或無法收到電磁波信號。定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2使用的電磁波頻率O. 1-5GHZ。根據(jù)電磁波的傳播理論，電磁波具有波、粒兩重性，電磁波在真空中以電和磁互相激勵的方式，以光速C傳播，傳播沒有能量消耗。電磁波在介質(zhì)中傳播時，根據(jù)麥克斯韋方程組中，媒介與電特性有關(guān)的參數(shù)有電介常數(shù)ε，磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率δ。其中，介電常數(shù)表示媒介質(zhì)的極電性能，它描述了介質(zhì)中束薄電荷在外加電場作用下的偏移性質(zhì)，其一般用復(fù)數(shù)表示ε = ε ’ _j ε ”。而，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率μ又隨電磁波的角頻率ω變化而變化，gpε = ε (ω)，μ=μ (ω)根據(jù)平面電磁場理論，無界場與有媒質(zhì)中，電磁波的電場表達式為E(r) = E0 eJUV(a+Jfi)r
_ = w .....72c..............ι]式中a為電磁波的衰減常數(shù)因此看出，電磁波在介質(zhì)中的能量衰減a與電磁波的角頻率ω (頻率f)有關(guān)。在目前研究公布的電磁波穿過介質(zhì)能量損耗與頻率關(guān)系的仿真試驗中，得出如圖9所示的曲線。在9以上曲線中，隨著頻率的升高，混凝土墻、磚墻的傳輸損耗上升最快，混凝土墻在3G時開始變化加大，磚墻在5G變化加大，在我們目前作為料倉內(nèi)襯的非金屬材料中，大部分為陶瓷基材料、混凝土材料、墻磚材料，玻纖材料、塑性材料，這些材料介電常數(shù)都在5-10之間。由此，如果選擇小于5G的電磁波，其穿透介質(zhì)的能量更強，所需的功率更小，而選擇電磁波頻率> O. IGHZ的電磁率，因< O. IGHZ電磁波的窄波束定向較難實現(xiàn)，電磁波< O. IGHZ不在常用的中華人民共和國無線頻率管理中，難找到民用頻道。所以，O. 1-5GHZ的低頻電磁波是本發(fā)明方案的選擇。為了實現(xiàn)這一技術(shù)方法，該具體實施方案如下該裝置包含定向電磁波發(fā)射單元1，定向電磁波接收單元2。在定向電磁波發(fā)射單元I中，有電磁波發(fā)射電路1-1，天線1-2，電源接口 1-3，調(diào)試串口 1-4。在定向電磁波接收單元2中，包括有，電磁波接收電路2-1，天線2-2，中央處理器2-3，電源接口 2-4，調(diào)試串口 2-5，繼電器2-6。定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2，安裝在料倉的兩外側(cè)C、F，在要求測定點的同一高度H?！すぷ鲿r，定向電磁波發(fā)射單元I穿過料倉的倉壁3-1，3-2，向?qū)γ娑ㄏ螂姶挪ń邮諉卧?發(fā)射定向電磁波，構(gòu)成電磁波的通道4，在料位沒有到達設(shè)定的測量高度時，接收器接收到的電磁波量為M，當(dāng)料位到達設(shè)定的高度時，電磁波的通道4中，除了 3-1、3-2二個倉壁外，還有物料介質(zhì)5.電磁波的傳播能量損耗是由傳播損耗和界面損耗二部分組成的。由于物料的介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù)，所以，其在物料介質(zhì)中傳播的能量損耗，大于料位沒有達到設(shè)定點時在空氣中的損耗。所謂界面損耗是指電磁波在穿過不同物料的界面時，會發(fā)生部分折射、反射。，在物料沒有達到設(shè)定高度時，其電磁波通道內(nèi)穿過了 C、D、E、F四個界面(如圖3)，而物料達到設(shè)定高度時，電磁波必須通過C、D、G、H、E、F六個界面。其界面損耗必然大于電磁波的通道沒有物料時的損耗。所以，當(dāng)物料達到設(shè)定高度時，電磁波接收到的電磁波的能量為N，遠(yuǎn)小于物料達到設(shè)定高度時，定向電磁波接收單元接收到的電磁波強度M，通過中央處理器，把接收到的電磁波電量向在料位沒有達到設(shè)定點的電磁波強度M，與料位到達設(shè)定點時電磁波強度N作比較，可在M和N中間設(shè)置一個閥值P，N〈P〈M，當(dāng)中央處理器2-5被電磁波電路告知，接收到的電磁波強度大于P時，要求繼電器發(fā)出一個O值對應(yīng)開關(guān)電信號。當(dāng)中央處理器2-5,收到電磁波電路傳遞來的電磁波強度小于P時，中央處理器2-5向繼電器2-6發(fā)出命令，繼電器2-6發(fā)出I值的對應(yīng)開關(guān)電信號。在大部分工況下，倉壁的結(jié)構(gòu)如圖4所不,其外殼是金屬材料6-1,內(nèi)襯為非金屬材料6-2，此時，我們的實施方案是在金屬外殼材料6-1的測量點高度，相對二側(cè)開置兩個孔X，Y，把安裝定向電磁波發(fā)射單元I和定向電磁波接收單元2的接收天線1-2和發(fā)射天線2-2安裝在孔中，在非金屬材料和料倉內(nèi)構(gòu)成一個電磁波通道，此后時的測量方法和上述的非金屬倉壁料倉的測量方法相同。本發(fā)明采用低頻電磁波穿過非金屬倉壁的原理，通過在測量點構(gòu)建低頻電磁波的傳輸通道，運用了低頻電磁波容易穿過非金屬材料的特點，根據(jù)物料進入電磁波通道，將減弱電磁波的傳輸能量的現(xiàn)象，實現(xiàn)了一種新的非接觸式的料倉料位開關(guān)。，該檢測不受物料溫度及物料其它特性的影響，測量元件不與物料接觸，避免了物料等對測量的影響，防止物料對檢測元件的腐蝕、磨損、沖擊等損害，確保了設(shè)備的長壽命運行。下面通過具體工況對本發(fā)明進行具體描述。本發(fā)明的料位開關(guān)在煉鐵廠的燒結(jié)礦倉的應(yīng)用。用于檢測對燒結(jié)礦倉的最高限料位報警。該料倉為長方斗形結(jié)構(gòu)，上部最寬八米，倉高為十二米，倉外壁為IOmm厚的碳鋼，內(nèi)襯為壁厚為25_的混凝土材料，。料倉需在料位為十米處設(shè)置最高限報警，防止?jié)M倉溢出。具體實施方案是I.在料倉八米處的倉的外壁二側(cè)X，Y處開二個0 300的孔，二孔相對，在孔口焊接一個0 300的鐵管，并加C 300的法蘭7-1，7-2。
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2.電磁波發(fā)射器和接收器，分別連接固定在另一0 300法蘭7-3，7-4上，用螺栓將7-1和7-3連接，7-2和7-4連接好。3.考慮到混凝土的介電常數(shù)較大，厚度較厚，我們選用發(fā)射頻率為960MHZ的電磁波。發(fā)射器的最大功率為30dbm。4.工作時，定向電磁波發(fā)射單元I對面發(fā)射960MHZ的電磁波給定向電磁波接收單元2。構(gòu)成包含6-1、6-2 二個倉壁和倉內(nèi)的電磁波通道4。5.料位沒有達到10米時。通過調(diào)整定向電磁波發(fā)射單元I的發(fā)射功率，使定向電磁波接收單元2收到的功率為-60dbm。6.當(dāng)料位到達10米時，定向電磁波接收單元2沒收到定向電磁波發(fā)射單元I的發(fā)射的電磁波。7.在中央處理器設(shè)置閥值為-70dbm。8.此時，若接收到電路2-2收到的電磁波的功率大于_70dbm時，電路2_2將功率數(shù)據(jù)傳遞給中央處理器2-5，中央處理器2-5根據(jù)和閥值_70dbm的對比，會要求繼電器2_6發(fā)出O值的對應(yīng)開電信號。若接收電路2-2收到的電磁波能量小于_70dbm，中央處理器2_5將接到的功率數(shù)和閥值-70dbm比較，此時要求繼電器2-6發(fā)出I值的對應(yīng)開關(guān)電信號。上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思前提下，本領(lǐng)域中普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技術(shù)內(nèi)容已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，其特征在于所述開關(guān)包括定向電磁波發(fā)射單元(I)和磁波接收單元(2 )，所述磁波發(fā)射單元(I)和定向電磁波接收單元(2 )位于料倉所需測量高度的同一水平高度，所述電磁波發(fā)射器(I)和電磁波接收器(2)分別安裝于料倉外部的兩側(cè)的料倉壁(3)上，定向電磁波發(fā)射單元(I)和定向電磁波接收單元(2)之間構(gòu) >建一電磁波通道(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，其特征在于所述料倉壁(3)為金屬外殼或金屬外殼非金屬內(nèi)襯。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，其特征在于所述定向電磁波發(fā)射單元(I)和定向電磁波接收單元(2)使用的電磁波頻率O. 1-5GHZ。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，其特征在于所述定向電磁波發(fā)射單元(I)包括電磁波發(fā)射電路(1-1 )、與電磁波發(fā)射電路(1-1)連接的天線(1-2)、電源接口(1-3)和調(diào)試串口(1-4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，其特征在于所述定向電磁波接收單元(2)包括電磁波接收電路(2-1 )、分別與電磁波接收電路(2-1)連接的天線(2-2)和中央處理器(2-3)，以及與中央處理器(2-3)連接的電源接口(2-4)、調(diào)試串口(2-5)和繼電器(2-6)。
6.一種利用權(quán)利要求I至5任意之一所述的非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)進行非接觸式檢測料倉料位的方法，其特征是在所述方法中將磁波發(fā)射單元(I)和定向電磁波接收單元(2)位于料倉所需測量高度的同一水平高度，所述電磁波發(fā)射器(I)和電磁波接收器(2)分別安裝于料倉外部的兩側(cè)的料倉壁(3)上，當(dāng)料位沒有到達所需測量高度的料位時，接收器能夠收到來自發(fā)射器的一個較強的電磁波信號；當(dāng)料位達到料倉設(shè)定的位置時，電磁波接收器收到一個較弱的電磁波信號或無法收到電磁波信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非接觸式檢測料倉料位的方法，其特征在于所述定向電磁波發(fā)射單元(I)和定向電磁波接收單元(2)使用的電磁波頻率O. 1-5GHZ。
全文摘要
一種非接觸式檢測料倉料位的電磁波開關(guān)，其特征在于所述開關(guān)包括定向電磁波發(fā)射單元(1)和磁波接收單元(2)，所述磁波發(fā)射單元(1)和定向電磁波接收單元(2)位于料倉所需測量高度的同一水平高度，所述電磁波發(fā)射器(1)和電磁波接收器(2)分別安裝于料倉外部的兩側(cè)的料倉壁(3)上，定向電磁波發(fā)射單元(1)和定向電磁波接收單元(2)之間構(gòu)建一電磁波通道(4)。本發(fā)明的技術(shù)方案和中國專利CN102322920A所公開的超聲波技術(shù)方案相比，其不受介質(zhì)溫度的影響，與倉壁的厚度關(guān)系不大，不需要使用粘合劑等附加售后保障工作。
文檔編號G01F23/284GK102788626SQ201210178249
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者邵小歐 申請人:邵小歐