本發(fā)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(shù)：

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(chǎn)品有電石、黃磷、硅鐵、鉻鐵、硅錳、鎳鐵、剛玉、鈦鐵、鉛鋅等，其冶煉原理是利用電流預(yù)熱爐料、電離爐氣形成定向高溫離子流-電弧，將電能轉(zhuǎn)換成熱能，為還原反應(yīng)提供足夠高的溫度場。礦熱爐是我國西北部地區(qū)使用較多的大功率工礦電氣設(shè)備，屬高耗電設(shè)備，運(yùn)行過程中電力成本在生產(chǎn)總成本中占相當(dāng)大的比例，因此礦熱爐的節(jié)電挖潛不僅可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，對節(jié)能、環(huán)保、減排也具有十分重要的地位。為了保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗，在冶煉過程中，要求控制爐內(nèi)的溫度，使其保持在一個(gè)合理范圍內(nèi)。電極深度是礦熱爐冶煉控制的主要目標(biāo)。當(dāng)電極插入過淺時(shí)，由于爐底功率密度不足，會造成結(jié)瘤和爐缸變冷，這對于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(nèi)溫度，決定礦熱爐的冶煉效率和質(zhì)量。通過調(diào)整電極深度，保持所需電弧的長度，就可以達(dá)到控制爐溫和爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)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(dòng)控制電極的升降：當(dāng)電極電流或電壓大于規(guī)定值時(shí)提升電極；當(dāng)電極電流或電壓小于規(guī)定值時(shí)下降電極。由于操作人員操作水平、操作習(xí)慣的不同，電極控制的一致性很難保證，并且，操作人員長時(shí)間精力高度集中引起的疲勞極易導(dǎo)致誤操作，其結(jié)果是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、耗電量增加。隨著計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，用傳感器測量電極長度，并利用計(jì)算機(jī)代替人工控制電極升降已成為礦熱爐電極智能控制的發(fā)展趨勢。

目前，測量電極長度主要采用兩種方法，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(jì)算電極長度，但由于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，但由于爐料的導(dǎo)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(fā)生很大變化，電極長度的測量仍存在較大誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(jī)。超聲波傳感器由超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和信號采集、整流與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊三部分組成。超聲波發(fā)射模塊包括超聲波發(fā)射電路和超聲發(fā)射器，前者產(chǎn)生的交變電壓的頻率與后者壓電陶瓷晶片的固有諧振頻率f0一致。發(fā)射電路的開關(guān)是與單片機(jī)的一個(gè)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(fā)射器和超聲接收器的主指向與電極的軸線平行。單片機(jī)向輸出端發(fā)送一串寬度為τ秒的脈沖方波信號，超聲波發(fā)射電路導(dǎo)通τ秒，在此期間，超聲波發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)射的超聲波，從電極上底面中心向下傳播，到達(dá)電極邊界后部分超聲波回波返回超聲接收器。單片機(jī)記錄超聲接收器的聲壓數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的發(fā)生時(shí)間，由此計(jì)算出電極長度。本發(fā)明的積極效果是：測量的電極長度為單調(diào)遞減數(shù)據(jù)，而不是經(jīng)處理后才能得到單調(diào)遞減數(shù)據(jù)，因此更符合實(shí)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(biāo)號說明：

1超聲波傳感器，2單片機(jī)，3超聲波發(fā)射模塊，4超聲波接收模塊，5信號采集、整流與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，6單片機(jī)輸出端

具體實(shí)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(jī)(2)。超聲波傳感器(1)由超聲波發(fā)射模塊(3)、超聲波接收模塊(4)和信號采集、整流與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)三部分組成。超聲波發(fā)射模塊(3)包括超聲波發(fā)射電路和超聲發(fā)射器，前者產(chǎn)生的交變電壓的頻率與后者壓電陶瓷晶片的固有諧振頻率f0一致。發(fā)射電路的開關(guān)是與一個(gè)單片機(jī)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(fā)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(dāng)進(jìn)行電極長度測量時(shí)，單片機(jī)(2)向單片機(jī)輸出端(6)發(fā)送一個(gè)串寬度為τ秒的脈沖方波信號，超聲波發(fā)射電路導(dǎo)通τ秒，在此期間，超聲波發(fā)射模塊(3)連續(xù)發(fā)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(dāng)l＞r/tanθ時(shí)，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(cè)面反射的，因此以超聲波的發(fā)射和接收時(shí)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(yīng)電極長度和超聲波指向角變化，電極長度測量可以借助超聲波傳感器的指向特性。

超聲發(fā)射器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，主指向聲壓最大、角度逐漸增大時(shí)，聲壓逐漸減小。由于超聲發(fā)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(dá)電極底部后反射的回波聲壓最大。沿其它方向傳播的超聲波到達(dá)電極表面后也產(chǎn)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(jié)果。最早被超聲接收器接收的回波由b、c連線上的點(diǎn)反射，順序與距b點(diǎn)的距離一致；其次是c、d和e、d連線上的點(diǎn)，順序分別與距e、c兩點(diǎn)的距離一致。由于沿主指向傳播的超聲波的回波聲壓最大，當(dāng)該回波返回時(shí)超聲接收器的聲壓開始變大，一直持續(xù)到該回波結(jié)束。因此，通過記錄超聲接收器的聲壓數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的發(fā)生時(shí)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(shí)間，與單片機(jī)發(fā)送脈沖方波的時(shí)間間隔的一半就是超聲波從電極上底面到下底面的時(shí)間，由此就可以計(jì)算出電極長度。

單片機(jī)(2)記錄發(fā)送脈沖方波的時(shí)間t0，超聲波接收模塊(4)接收超聲波，信號采集、整流與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)采集超聲波接收模塊(4)接收的超聲波聲壓信號，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)(2)，單片機(jī)(2)記錄聲壓數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的接收時(shí)間。以δt＝τ/k＜1/(2f0)表示信號采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)的采樣周期，其中k是電極表面反射的超聲波被采樣的次數(shù)。由于電極的長度有限，比如不超過10m，因此超聲波接收模塊(4)可接收回波的時(shí)間不超過(0.1+τ)秒。記n＝e((0.1+τ)/δt)，單片機(jī)(2)接收的數(shù)組記為

(t0+iδt，vi)i＝1，2，…，n

此時(shí)超聲波傳感器(1)的工作結(jié)束，單片機(jī)(2)進(jìn)入數(shù)據(jù)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(shí)間，因此電極長度為

l＝340×(t0+nδt-t0)/2＝170×nδt。