如何在1500℃熔融铜液位中，实现±1mm精度的非接触式测量？【冶炼工业】【连铸液位控制】

1. 基于铜液面测量的基本结构与技术要求

铜液面测量，顾名思义，是要精确地知道熔融铜在容器里的高度。想象一下，一个巨大的冶炼炉里，上千度的铜水（熔点约1085℃，冶炼过程温度更高，可达1200℃甚至1500℃以上）在翻腾。在这种极端高温、高腐蚀的环境下，传统接触式的测量方法几乎不可能实现，因为任何探头伸入铜液都会迅速熔化或被腐蚀。因此，我们必须选择“非接触式”的测量方式。

同时，铜液表面通常非常光亮，容易反光，但又可能覆盖着浮渣（渣层），或者因为冶炼过程产生大量蒸汽和烟尘，这些都会干扰测量。要实现±1mm的稳定精度，这要求传感器不仅要能“远距离看清”铜液面，还要能“透过”这些干扰，并且不受铜液自身高温、高腐蚀性蒸汽的影响。所以，选用的液位计必须具备极高的耐高温、抗腐蚀（指传感器本身对外壳的防护）能力，以及在复杂工况下的高精度和稳定性。

2. 针对铜液面测量的相关技术标准简介

在铜液面测量领域，对测量设备的性能评估主要围绕几个核心参数展开，以确保测量结果的准确性和过程控制的有效性。

首先是测量范围，它定义了液位计能够有效测量的高度区间，比如从容器底部到顶部。对于冶炼炉，这通常需要覆盖从最低操作液位到最高安全液位。

其次是测量精度，这是衡量测量结果与真实值之间偏差大小的关键指标。在铜冶炼中，通常需要达到毫米级别（如±1mm），以满足精细化生产和质量控制的要求。精度越高性能越好，但成本也可能越高。

重复性则表示在相同条件下，多次测量同一液位时，结果一致的程度。如果液位计每次测量的结果都非常接近，即使与真实值有微小偏差，但其稳定性高，这对于过程控制来说也很有价值。

响应时间是指从液位发生变化到传感器输出相应信号所需的时间。在快速变化的冶炼过程中，如连铸模具液位控制，毫秒级的响应速度至关重要，能及时反馈液位变化并调整，避免溢流或空铸。

此外，耐温性能评估的是传感器及其附件在高温环境下正常工作的能力，这包括传感器本体的环境耐受温度和可测量目标表面的最高温度。防护等级（如IP65、IP68）则指示设备抵抗粉尘和水汽侵入的能力，对于多尘、潮湿的冶炼环境至关重要。最后，抗干扰能力评估传感器在蒸汽、烟尘、电磁干扰等复杂工况下的稳定性，这些都是影响铜液面测量的常见因素。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在铜冶炼这样极端高温、高反射、高腐蚀的工业环境中，选择合适的非接触式液位计至关重要。目前主流的技术方案各有侧重，下面将详细解析几种常见的测量技术：

激光测距技术（Time-of-Flight/相位差）

激光测距技术通过发射激光束并接收其从液面反射回来的信号来计算距离。这种技术根据其工作原理可分为多种，其中“时间飞行法”（Time-of-Flight, TOF）和“相位差法”是工业应用中最常见的。

工作原理和物理基础：

• 时间飞行法（TOF）：传感器发射一个短暂的激光脉冲，该脉冲以光速传播到铜液表面，被反射后沿原路返回传感器。传感器内部的高速计时器精确测量从激光发射到接收的时间间隔t。由于光速c是一个已知常数（在空气中约299792458米/秒），传感器到液面的距离D就可以通过以下公式计算： D = (c * t) / 2 这里除以2是因为激光走了去和回双向的路程。通过持续测量D，就能实时监测液位变化。

• 相位差法：这种方法发射的是一个经过特定频率调制的连续激光束。当激光束从铜液面反射回来时，其相位会相对于发射时的相位发生滞后。传感器通过比较发射信号与接收信号之间的相位差Δφ，结合调制信号的波长λ，来计算距离D： D = (λ * Δφ) / (4 * π) 相位差法通常在短距离内能实现更高的测量精度。

核心性能参数：

• 精度：工业级激光测距仪的精度通常能达到±1mm，某些精密型号甚至可达亚毫米级。

• 测量范围：从几厘米到数百米不等，例如，某些高性能型号可测500米甚至更远。

• 测量速度/频率：响应速度快，可以达到数百赫兹，意味着每秒可以进行数百次测量，能捕捉快速的液位变化。

• 耐温能力：传感器本体通常有工作环境温度限制（如-40℃至+60℃），但通过特殊的耐高温光学窗口、冷却外壳或间接安装方式，可实现对高达1500℃甚至更高温度物体的表面距离测量。

优点：

• 高精度：能够提供毫米级的精确测量，满足高标准过程控制需求。

• 非接触式：避免了与高温、腐蚀性铜液的直接接触，保障了设备寿命和操作安全。

• 测量速度快：高频率的测量能力使其能实时捕捉液位动态变化。

• 远距离测量：适用于大型容器和难以接近的测量点，可将传感器安装在远离高温源的地方。

• 对高温物体表面测量能力：配合冷却和防护措施，可直接测量高达1500℃的铜液表面温度。

缺点：

• 受环境干扰：激光束易受铜冶炼过程中产生的蒸汽、烟尘、炉渣、强环境光（特别是太阳辐射）等因素的衰减或散射影响，可能导致信号衰减或误判。虽然部分高端产品具备抗干扰能力，但仍需注意防护。

• 表面特性影响：铜液表面的波动、氧化膜或浮渣（渣层）可能会影响激光反射的稳定性和质量，降低测量精度。

• 成本考量：高精度、耐高温的工业级激光测距传感器及其配套冷却、防护系统，初期投入相对较高。

FMCW雷达技术（调频连续波雷达）

FMCW雷达技术通过发射连续的、频率随时间线性变化的微波信号来测量液位。

工作原理和物理基础： FMCW雷达传感器发射一个频率线性变化的连续微波信号（Chirp信号）。这个信号到达液面后反射回来，被传感器接收。由于发射信号是连续的且频率在不断变化，当反射信号回到传感器时，其频率会与当前正在发射的信号频率存在一个差异。这个频率差Δf正比于信号往返的时间t，而时间t又正比于液位距离D。 其核心物理关系为： Δf = (2 * R * df/dt) / c 其中，R是液位距离，df/dt是发射频率随时间的变化率（即频率扫频斜率），c是电磁波在介质中的传播速度。通过测量频率差Δf，即可精确计算出液位距离R。

核心性能参数：

• 精度：通常可达±1毫米，满足较高精度要求。

• 测量范围：最高可达30米或更远，适用于大型储罐和容器。

• 过程温度/压力：通常可承受较高的过程温度（如+450°C，带冷却装置可更高）和高压（如160巴）。

• 防护等级：IP66/IP68，具有优异的环境防护能力。

优点：

• 环境适应性强：微波具有良好的穿透能力，几乎不受过程温度、压力、蒸汽、粉尘、泡沫或腐蚀性气体的影响，尤其适合铜冶炼这类恶劣工况。

• 非接触测量：与激光测距类似，避免了与介质的直接接触。

• 可靠性高：在各种复杂介质（如粘稠、结垢）中都能保持稳定测量。

缺点：

• 波束发散：雷达波束有一定的发散角，可能受到狭窄容器内壁或搅拌器等内部结构物的干扰。

• 分辨率限制：在极短距离内，其分辨率可能不如高精度激光或共聚焦激光。

• 成本：高性能雷达液位计的成本通常较高。

伽马射线液位测量技术

伽马射线液位测量是一种利用放射性同位素发射的伽马射线穿透物体衰减原理的非接触式技术。

工作原理和物理基础： 伽马射线测量系统由两部分组成：一个伽马放射源（如铯-137或钴-60）和一个伽马射线探测器。放射源安装在容器壁的一侧，探测器安装在另一侧，两者相对。伽马射线穿透容器壁和其内部的介质（铜液或空间）。当铜液液位变化时，伽马射线穿透的介质厚度随之改变。铜液比空气或其他气体密度大得多，因此对伽马射线的衰减作用更强。 根据Lambert-Beer定律，伽马射线穿透物质后的强度I与初始强度I0、物质密度ρ、质量衰减系数μ和穿透厚度x之间的关系为： I = I0 * e^(-μρx) 当液位升高，x增大，探测器接收到的伽马射线强度I就会减弱；反之，液位降低，I就会增强。通过监测I的变化，系统即可计算出液位高度。

核心性能参数：

• 精度：通常在容器高度的±1%至±5%之间，具体取决于应用和校准。

• 测量范围：可覆盖整个容器高度，不受容器尺寸限制。

• 过程温度/压力：传感器（源和探测器）安装在容器外部，完全不受过程介质的极端温度、压力和腐蚀性影响，理论上无上限限制。

• 响应时间：通常较慢，不适合需要快速响应的场景。

优点：

• 极高环境适应性：完全非接触，不受极端高温、高压、强腐蚀、磨损、粘性、结垢或有毒介质的任何影响。

• 坚固可靠：设备外部安装，维护量极低，使用寿命长。

• 安全性高：放射源强度低且有严格防护，设计符合安全标准。

缺点：

• 涉及放射源：需要获得相关部门的许可和审批，安装和管理流程复杂。

• 精度相对粗犷：通常难以达到毫米级的绝对精度，更适合粗略的液位监测。

• 成本高昂：放射源、探测器以及安装、调试、许可等费用都较高。

共聚焦激光位移技术

共聚焦激光位移技术是一种基于光学原理的高精度测量方法，主要用于微米甚至纳米级的位移或高度测量。

工作原理和物理基础： 共聚焦激光位移传感器发射一个宽谱（包含多种波长）的光束。这个光束经过一个特殊设计的物镜聚焦。其核心原理是色散效应：物镜对不同波长的光具有不同的折射率，因此不同波长的光会被聚焦在不同的深度位置。当光束照射到铜液表面并反射回来时，只有当特定波长的光精确聚焦在液面位置时，其反射光才能通过一个微小的针孔（共聚焦孔径）并被光电检测器接收。 通过检测反射光的峰值波长，并结合传感器预先校准的波长-距离对应关系，系统就能极其精确地确定液面的高度或位移。

核心性能参数：

• 测量范围：非常短，通常为几毫米到几十毫米。

• 最小可检测高度差：可达0.01微米（10纳米），重复精度可达纳米级。

• 采样速度：非常快，最大可达128千赫兹。

• 线性度：极高，例如±0.05% F.S.（满量程）。

优点：

• 超高精度和重复性：能够实现纳米级的测量，对于需要极其精细控制的场合具有显著优势。

• 对镜面/高反射率表面稳定：其原理使其对高反射率的铜液表面具有极好的测量稳定性，不易受表面光泽度影响。

• 受表面颜色和粗糙度影响小：在一定范围内对表面颜色变化不敏感。

缺点：

• 测量范围极短：这是其最大的局限性，不适合对大型容器内的液位进行大范围测量，更适用于精确的微观位移或窄区间液位控制（例如连铸模具液位微调）。

• 对环境要求高：需要洁净的环境，蒸汽、烟尘等可能遮挡光路，影响测量。

• 安装和标定复杂：对传感器的安装位置和校准要求极高。

• 成本非常高：由于其复杂的精密光学和电子系统，设备成本通常非常昂贵。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了几家在铜液位测量领域有代表性的国际品牌进行对比分析：

• 德国威格（FMCW 雷达技术） 德国威格以其卓越的雷达液位计而闻名。其代表产品VEGAPULS 64系列采用FMCW雷达技术，能实现±1毫米的测量精度，测量范围最高可达30米。传感器本身可承受-196℃至+450℃的过程温度（带冷却装置可更高），并具有IP66/IP68的防护等级。德国威格的优势在于其产品在极端恶劣工况，如高温、高压、蒸汽、粉尘和强腐蚀性环境下，仍能保持极高的测量稳定性和可靠性。

• 英国真尚有（激光测距技术） 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，测量范围从0.05米至500米，精度可达±1毫米，测量速度高达250Hz。该系列传感器适用于重工业和户外应用，可以测量高温物体表面距离，实测最高表面温度为1550℃，并且金属外壳提供IP65级保护，扩展温度范围为-40℃至+60℃，同时提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和两个可编程数字输出。

• 日本基恩士（共聚焦激光位移技术） 日本基恩士的CL-3000系列共聚焦激光位移传感器以其超高的测量精度著称。该系列产品的重复精度可达15纳米，线性度±0.05% F.S.，采样速度高达 128千赫。它对镜面或高反射率的液面具有极高的测量稳定性和精度，且受表面颜色和粗糙度影响小。然而，其测量范围非常短，主要适用于需要极高精度的微小位移或窄范围高度检测，而非大范围的液位测量。

• 瑞士恩德斯豪斯（伽马射线技术） 瑞士恩德斯豪斯的FMG60系列伽马放射源与FMR50系列探测器组合，利用伽马射线穿透衰减原理进行液位测量。此技术完全非接触，且传感器远离过程介质，不受极端高温、高压和强腐蚀性介质影响，具有极高的坚固性和可靠性。其精度通常在容器高度的±1%至±5%之间，响应时间相对较慢。主要优势是适用于其他技术难以应对的极端恶劣环境，但涉及放射源的许可和安全管理。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择用于铜冶炼的非接触式液位计时，以下几个技术指标至关重要：

• 测量精度：铜冶炼要求高精度，因此必须选择能达到此标准的设备。高精度意味着更精确的液位控制，对产品质量和生产效率有直接影响。

  • 建议：仔细核对厂家标称的精度指标，并了解其是在何种典型工况下实现的。通常，激光和FMCW雷达能提供较高的毫米级精度，伽马射线则相对粗犷。

• 测量范围：液位计的测量范围必须覆盖铜液在冶炼炉中的所有可能高度变化。

  • 建议：根据冶炼炉的实际尺寸和液位波动范围来确定所需的最大测量距离。

• 耐温与散热能力：铜液面温度极高（1000℃以上），传感器需要承受高温环境（即使不直接接触），或能测量高温目标。

  • 建议：

    • 选择能直接测量高温表面的传感器，并确保其配备有效的冷却外壳或外部冷却系统，使传感器本体工作在安全环境温度内。

    • 对于雷达或伽马射线，传感器本体安装在容器外部，但仍需考虑环境辐射热的影响。

• 抗干扰能力：冶炼环境常伴有蒸汽、烟尘、火焰、表面浮渣（渣层）或剧烈波动。

  • 建议：

    • 激光测距：选择具有良好抗环境光和强反射抑制能力的产品，并考虑加装吹扫或防护罩以减少烟尘、蒸汽对光路的影响。

    • FMCW雷达：对蒸汽、粉尘不敏感，是较优选择。但注意波束角，避免内部结构物干扰。

    • 伽马射线：完全不受干扰，但精度和成本是主要考量。

    • 共聚焦激光：对清洁度要求高，不适合烟尘大的环境。

• 响应速度：对于需要实时液位调节的连铸等工序，快速响应至关重要。

  • 建议：根据工艺需求确定所需的响应时间。例如，模具液位控制可能需要毫秒级响应，而大炉液位监测则可能对秒级响应有容忍度。

• 防护等级和材质：恶劣的工业环境要求设备具有高标准的防尘防水能力，并能抵抗腐蚀性气体。

  • 建议：选择IP65或更高防护等级的产品，外壳材质应坚固耐用，能抵抗腐炼环境中的腐蚀性物质。

• 安装便捷性与维护成本：传感器的安装方式、标定复杂性以及日常维护频率和成本也需要纳入考量。

  • 建议：选择安装简单、调试方便、后期维护量小的设备。例如，伽马射线系统虽然可靠但安装复杂且有许可成本。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在铜冶炼液位测量的实际应用中，可能会遇到以下几类问题：

• 蒸汽和烟尘干扰

  • 问题原因：铜液高温蒸发产生大量蒸汽，以及冶炼过程中产生的金属烟尘，会严重遮挡激光束或影响机器视觉的视线，导致信号衰减、测量不稳定甚至完全丢失。

  • 影响程度：直接导致测量精度下降，甚至无法获得有效数据。

  • 解决建议：

    • 加装吹扫装置：在传感器光学窗口前安装空气吹扫或氮气吹扫装置，形成气帘，防止蒸汽和烟尘附着或进入光路。

    • 选择抗干扰能力强的技术：优先考虑FMCW雷达技术，其微波穿透能力强，受蒸汽和烟尘影响小。

    • 优化安装位置：将传感器安装在烟尘和蒸汽浓度相对较低的区域，或者在烟气流通方向的上风向。

• 铜液表面波动与炉渣

  • 问题原因：铜液在冶炼过程中可能出现翻腾、波动，同时表面会形成一层浮渣（氧化物、杂质等）。

  • 影响程度：波动会引起测量读数的快速跳变，增加平均误差；炉渣则可能改变表面反射特性，导致测量光束反射不均匀或吸收，影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 信号处理与滤波：在传感器输出端或上位机增加信号滤波算法（如移动平均、卡尔曼滤波），平滑数据，消除短期波动的影响。

    • 选择合适的测量光斑大小：对于激光测距，选择光斑直径适中、能量集中的产品，减少受局部波动和渣层的影响。

    • 多点测量与平均：如果条件允许，可以采用多个传感器同时测量不同点，取平均值来抵消局部波动。

    • 定期清理渣层：在不影响生产的情况下，定期对铜液表面渣层进行清理。

• 环境高温对传感器本体的影响

  • 问题原因：冶炼炉附近环境温度极高，远超大部分电子设备的工作温度上限。

  • 影响程度：传感器内部电子元件过热，导致性能漂移、测量不稳定，甚至损坏。

  • 解决建议：

    • 配备冷却系统：为传感器配备水冷套、风冷套或涡流管冷却器，确保传感器本体工作在适宜温度范围内。

    • 选择耐高温防护等级高的产品：确保传感器的外壳和连接件能够承受高温辐射和环境热。

    • 优化安装距离：尽量将传感器安装在离热源较远的区域，利用远距离测量能力。

• 铜液的高反射性与镜面效应

  • 问题原因：熔融铜表面非常光亮，如同镜面，可能导致激光束或可见光图像反射角度过于集中，无法被传感器有效接收，或产生大量杂散反射干扰。

  • 影响程度：导致测量信号弱、不稳定，甚至无法测得有效数据。

  • 解决建议：

    • 倾斜安装：将激光测距传感器稍微倾斜安装，避免直接垂直入射导致反射光按原路返回，便于接收器捕捉反射信号。

    • 选择抗镜面反射能力强的传感器：有些激光或机器视觉传感器具备特殊的光学设计或算法，能更好地处理高反射表面。

    • 共聚焦激光优势：对于短距离高精度的镜面测量，共聚焦激光原理在这方面表现出色。

4. 应用案例分享

铜冶炼中的液位测量广泛应用于多个关键环节：

• 转炉、精炼炉液位监测：在铜冶炼的转炉或精炼炉中，实时、精确监测熔融铜液的液位高度，有助于操作人员掌握炉内物料情况，优化加料和出料节奏，确保生产过程稳定。

• 连铸模具液位控制：在铜的连续铸造过程中，模具内的铜液液位精度要求极高，通常需维持在±1mm的窄范围波动。精确的液位控制是保证铸坯表面质量、防止溢流和空铸的关键。比如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，配合冷却和防护措施，可应用于连铸模具液位控制。

• 电解精炼槽液位管理：虽然电解槽温度相对较低，但对酸性电解液的液位控制仍需非接触式测量，以确保电解效率和生产安全。

• 中间包液位监测：在从冶炼炉向铸造设备输送熔融铜的过程中，中间包作为缓冲容器，其液位监测对于保持铸造过程的连续性和稳定性至关重要。