一种矿热炉电极长度测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及一种矿热炉电极长度测量装置及其测量方法。

背景技术：

矿热炉包括铁合金炉、电石炉及黄磷炉等电弧电阻炉，可冶炼的产品有电石、黄磷、硅铁、铬铁、硅锰、镍铁、刚玉、钛铁、铅锌等，其冶炼原理是利用电流预热炉料、电离炉气形成定向高温离子流-电弧，将电能转换成热能，为还原反应提供足够高的温度场。矿热炉是我国西北部地区使用较多的大功率工矿电气设备，属高耗电设备，运行过程中电力成本在生产总成本中占相当大的比例，因此矿热炉的节电挖潜不仅可以降低企业的生产成本，对节能、环保、减排也具有十分重要的地位。为了保证产品的优质、高产和低消耗，在冶炼过程中，要求控制炉内的温度，使其保持在一个合理范围内。电极深度是矿热炉冶炼控制的主要目标。当电极插入过浅时，由于炉底功率密度不足，会造成结瘤和炉缸变冷，这对于需要大量热能的矿石还原过程是不利的；反之，电极深度插入过深，会引起炉底和熔体过热，金属烧损大，料面上部变凉，下料速度变慢。矿热炉三相电极深度直接影响炉内温度，决定矿热炉的冶炼效率和质量。通过调整电极深度，保持所需电弧的长度，就可以达到控制炉温和炉内化学反应速度的目的。

在矿热炉冶炼过程中，通常是依靠人工观察电流或电压大小，手动控制电极的升降：当电极电流或电压大于规定值时提升电极；当电极电流或电压小于规定值时下降电极。由于操作人员操作水平、操作习惯的不同，电极控制的一致性很难保证，并且，操作人员长时间精力高度集中引起的疲劳极易导致误操作，其结果是产品质量不稳定、耗电量增加。随着计算机和传感器技术的进步，用传感器测量电极长度，并利用计算机代替人工控制电极升降已成为矿热炉电极智能控制的发展趋势。

目前，测量电极长度主要采用两种方法，即重量测量法和电流测量法。重量测量法通过测量电极的重量计算电极长度，但由于固体矿料对电极的摩擦力以及液体矿料对电极的浮力无法测量，因此电极长度的测量存在较大误差。电流测量法通过两电极之间的电流测量电极长度，但由于炉料的导电性随温度和炉料的熔化性变化很大，即使电极长度不变，两电极之间的电流也会随炉温和炉料的熔化程度发生很大变化，电极长度的测量仍存在较大误差。

技术实现要素：

本发明公开了一种矿热炉电极长度测量装置及其测量方法。测量装置由两部分组成，即超声波传感器和单片机。超声波传感器由超声波发射模块、超声波接收模块和信号采集、整流与模数转换模块三部分组成。超声波发射模块包括超声波发射电路和超声发射器，前者产生的交变电压的频率与后者压电陶瓷晶片的固有谐振频率f0一致。发射电路的开关是与单片机的一个输出端连接的继电器。超声波接收模块包括超声接收器和回波声压信号放大与半波整流电路，超声接收器压电陶瓷晶片的固有谐振频率也是f0。矿热炉电极长度测量装置安装在电极上底面的中心位置，超声发射器和超声接收器的主指向与电极的轴线平行。单片机向输出端发送一串宽度为τ秒的脉冲方波信号，超声波发射电路导通τ秒，在此期间，超声波发射模块连续发射的超声波，从电极上底面中心向下传播，到达电极边界后部分超声波回波返回超声接收器。单片机记录超声接收器的声压数据及其对应的发生时间，由此计算出电极长度。本发明的积极效果是：测量的电极长度为单调递减数据，而不是经处理后才能得到单调递减数据，因此更符合实际。

附图说明

图1是矿热炉电极长度测量装置示意图，图2是超声波在电极中传播路线对比示意图。

标号说明：

1超声波传感器，2单片机，3超声波发射模块，4超声波接收模块，5信号采集、整流与模数转换模块，6单片机输出端

具体实施方式

矿热炉电极长度测量装置由两部分组成，即超声波传感器(1)和单片机(2)。超声波传感器(1)由超声波发射模块(3)、超声波接收模块(4)和信号采集、整流与模数转换模块(5)三部分组成。超声波发射模块(3)包括超声波发射电路和超声发射器，前者产生的交变电压的频率与后者压电陶瓷晶片的固有谐振频率f0一致。发射电路的开关是与一个单片机输出端(6)连接的继电器。超声波接收模块(4)包括超声接收器和回波声压信号放大与半波整流电路，超声接收器压电陶瓷晶片的固有谐振频率也是f0。

矿热炉电极长度测量装置安装在电极上底面的中心位置，超声发射器和超声接收器的主指向(声压最大的方向)与电极的轴线平行。当进行电极长度测量时，单片机(2)向单片机输出端(6)发送一个串宽度为τ秒的脉冲方波信号，超声波发射电路导通τ秒，在此期间，超声波发射模块(3)连续发射的超声波，从电极上底面中心向下传播。

如图2所示，r表示电极半径，l表示电极长度，θ超声波的指向角。当l＞r/tanθ时，超声波接收模块(4)最早接受的回波不是由电极底面反射的，而是由电极侧面反射的，因此以超声波的发射和接收时间间隔不能确定电极长度。为保证电极长度测量方法能够适应电极长度和超声波指向角变化，电极长度测量可以借助超声波传感器的指向特性。

超声发射器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，主指向声压最大、角度逐渐增大时，声压逐渐减小。由于超声发射器的主指向与电极的轴线平行，沿主指向传播的超声波到达电极底部后反射的回波声压最大。沿其它方向传播的超声波到达电极表面后也产生回波，不过其回波声压随传播方向偏离主指向角度的增加而递减。超声接收器的声压是各方向上回波声压迭加的结果。最早被超声接收器接收的回波由b、c连线上的点反射，顺序与距b点的距离一致；其次是c、d和e、d连线上的点，顺序分别与距e、c两点的距离一致。由于沿主指向传播的超声波的回波声压最大，当该回波返回时超声接收器的声压开始变大，一直持续到该回波结束。因此，通过记录超声接收器的声压数据及其对应的发生时间，就可以辨识出沿主指向传播的超声波的回波返回超声接收器的时间，与单片机发送脉冲方波的时间间隔的一半就是超声波从电极上底面到下底面的时间，由此就可以计算出电极长度。

单片机(2)记录发送脉冲方波的时间t0，超声波接收模块(4)接收超声波，信号采集、整流与模数转换模块(5)采集超声波接收模块(4)接收的超声波声压信号，并进行模数转换后送单片机(2)，单片机(2)记录声压数据及其对应的接收时间。以δt＝τ/k＜1/(2f0)表示信号采集与模数转换模块(5)的采样周期，其中k是电极表面反射的超声波被采样的次数。由于电极的长度有限，比如不超过10m，因此超声波接收模块(4)可接收回波的时间不超过(0.1+τ)秒。记n＝e((0.1+τ)/δt)，单片机(2)接收的数组记为

(t0+iδt，vi)i＝1，2，…，n

此时超声波传感器(1)的工作结束，单片机(2)进入数据处理阶段。记

v＝max{v1，v2，…，vn}

vn＝min{v1，v2，…，vn-k+1}

其中1≤n≤n-k+1，则t0+nδt就是沿主指向传播的超声波回波被超声波接收模块(4)接收的时间，因此电极长度为

l＝340×(t0+nδt-t0)/2＝170×nδt。