焦化炉内1000℃高温、重粉尘环境下，如何实现焦炭料位毫米级高精度监测？【工业自动化】【非接触测量】

1. 焦化炉的基本结构与技术要求

焦化炉，简单来说，是一个用于高温干馏煤炭以生产焦炭的工业炉。它通常由炭化室、燃烧室、蓄热室和炉顶设备等部分组成。煤料通过炉顶的装煤孔进入炭化室，在高温隔绝空气的条件下被加热干馏成焦炭。

在焦化炉的料位检测中，我们面临着极端恶劣的工况。首先是高温，炉内温度可以高达1000℃以上，被测的焦炭表面温度甚至更高，传感器必须能够承受这种严苛的热环境。其次是粉尘，煤料在装入和干馏过程中会产生大量的煤粉、焦粉和烟尘，这些粉尘不仅会遮挡视线，还会附着在传感器表面，严重干扰测量。此外，炉内还伴随着蒸汽、腐蚀性气体（如焦炉煤气）、振动以及可能存在的强电磁干扰等。

因此，焦化炉料位检测对传感器的技术要求非常高： * 耐高温性： 传感器本身及其附件（如冷却系统）必须能长时间在高温环境下稳定工作，或能测量高温物体表面。 * 抗粉尘能力： 传感器需要具备穿透粉尘、抗粉尘粘附的能力，或通过辅助设备（如吹扫系统）有效清除粉尘影响。 * 高精度和稳定性： 在恶劣工况下，仍能提供准确且重复性好的料位数据，避免误判。 * 快速响应： 能够及时捕捉料位变化，为生产调节提供实时依据。 * 高可靠性与免维护性： 减少故障率和维护工作量，降低运行成本。 * 非接触式测量： 避免与高温、磨蚀性物料直接接触，延长传感器寿命。

2. 针对焦化炉的相关技术标准简介

焦化炉的料位监测，其主要监测参数及评价方法，通常围绕以下几个方面：

• 料位高度（Level Height）：这是最核心的参数，指物料表面到参考点（通常是炉底或炉顶）的垂直距离。其定义是直观的，评价方法主要通过传感器测得的距离值与预设参考点进行换算。

• 料位波动范围（Level Fluctuation Range）：在一定时间周期内，料位高度的最大值与最小值之差。这个参数反映了料位的稳定性。评价方法是统计周期内料位数据的极差。

• 料位均匀性（Level Uniformity）：特别是在炉内尺寸较大或不规则时，需要评估不同位置的料位差异。不均匀的料位可能导致局部过热或焦化不彻底。评价方法可以通过多点测量或扫描测量来获取物料表面的轮廓，进而分析其平整度。

• 测量精度（Measurement Accuracy）：传感器测量结果与真实料位值之间的偏差。通常用绝对误差（如±1mm）或相对误差（如±0.1%）来表示。评价方法是在已知真实料位（通过人工测量或更高精度设备校准）的情况下，对比传感器读数。

• 响应时间（Response Time）：传感器从接收到料位变化信号到输出稳定测量结果所需的时间。对于动态变化的料位，快速响应至关重要。评价方法通常是模拟料位变化，测量传感器输出信号达到稳定值所需的时间。

• 重复性（Repeatability）：在相同测量条件下，对同一料位进行多次测量时，结果之间的一致性。评价方法是多次测量结果的统计离散度。

这些参数的准确获取和稳定控制，是确保焦化炉安全高效运行的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

在焦化炉料位监测这个充满挑战的领域，市面上主流的技术方案各有千秋，它们就像不同功能的工具，各有擅长之处。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光飞行时间（ToF）测距技术

工作原理和物理基础：

激光飞行时间（ToF，Time-of-Flight）测距技术，顾名思义，就是通过测量激光脉冲从发射到接收反射回来的时间来计算距离。想象一下，你对着远处的墙壁喊一声，然后听到回声，根据声音来回的时间和声速，你就能估算出墙壁有多远。激光ToF测距的原理与此类似，只不过它使用的是光速飞快的激光。

传感器发射一个极短的激光脉冲，这个脉冲以光速传播。当它碰到被测物料（如焦炭表面）时，一部分激光能量会被反射回来，被传感器内部的接收器捕获。传感器内部的高速计时器会精确地记录下激光从发出到接收到的总时间 t。由于光速 c 是一个已知的常数（约3x10^8 米/秒），那么激光脉冲来回的总距离就是 c * t。因为这个距离是来回的，所以实际的单程距离 D（也就是传感器到物料表面的距离）可以通过以下公式计算：

D = (c * t) / 2

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 通常在0.05米到数百米。

• 精度： 激光测量精度一般为±1mm，优质系统可达更高精度。

• 分辨率： 能够分辨的最小距离变化，通常与精度接近。

• 响应时间/测量速度： 部分产品测量速度可高达250Hz，非常适合实时监测。

• 可测物体表面温度： 一些ToF激光传感器可以测量高温物体表面距离。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 高精度： 毫米级的测量精度，能实现精细的料位控制。

  • 非接触式： 避免了与高温、磨蚀性物料的直接接触，大大延长了传感器寿命。

  • 测量速度快： 适用于需要快速响应的动态料位监测场景。

  • 远距离测量： 可实现远距离的精确测量，能覆盖大型焦化炉的需求。

  • 可测量高温物体： 一些产品能直接测量高温物体的表面。

  • 窄波束： 激光波束通常非常窄，可以精确指向目标，减少来自容器壁或其他内部结构的干扰。

• 局限性：

  • 受粉尘和蒸汽影响较大： 激光是一种光波，在焦化炉这种高粉尘、强蒸汽环境下，激光束容易被散射或吸收，导致信号衰减，甚至无法有效反射，从而影响测量精度和可靠性。这就像在浓雾中用手电筒照明，光线会变得模糊不清。

  • 对反射率有要求： 某些激光传感器对被测物体的表面反射率有一定要求。如果焦炭表面过黑（反射率低），可能会影响测量效果。

  • 环境温度限制： 传感器本身通常需要在一定环境温度下工作，高于此温度需要额外的冷却装置。

• 成本考量： 激光ToF传感器的成本因性能和品牌而异，高精度、远距离、耐高温的产品通常价格较高，但考虑到其带来的高精度和非接触式优势，在长期运行中能节省维护成本。辅助的冷却和吹扫系统也会增加整体投入。

3.1.2 调频连续波（FMCW）雷达技术

工作原理和物理基础：

FMCW雷达（Frequency Modulated Continuous Wave Radar）的工作方式就像你用调音器来测量距离。它持续发射一个频率线性变化的微波信号（频率在一定范围内不断上升或下降），当这个信号遇到介质表面（比如焦炭）并反射回来时，反射信号的频率会与此刻传感器正在发射的信号频率有一个微小的差异。这个频率差 Δf 正比于距离 D。通过测量这个频率差，并利用傅里叶变换等信号处理技术，就能精确计算出距离。

其核心关系可以简化为：

Δf = (2 * D * K) / c

其中，K 是频率随时间的变化率（斜率），c 是电磁波在介质中的传播速度。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 典型可达120米，甚至更远。

• 精度： 毫米级别。

• 过程温度： 传感器本身可在-40°C至+200°C甚至更高环境下工作。

• 频率： 常用80吉赫兹（GHz），具有极窄的波束角。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 抗干扰能力强： 对粉尘、蒸汽、粘附和温度变化具有卓越的抵抗力，微波能够穿透这些障碍物。

  • 高精度和高可靠性： 即使在恶劣工况下也能提供稳定准确的测量。

  • 窄波束角： 80GHz雷达的波束角非常窄，能量集中，有效避开容器内部干扰物，例如炉壁或内部结构。

  • 非接触式： 传感器不与物料接触。

• 局限性：

  • 对介电常数有要求： 介质的介电常数会影响微波信号的反射，对于介电常数极低的介质可能测量效果不佳，但焦炭的介电常数通常足够。

  • 安装要求： 需确保测量路径无阻挡，波束能够直接照射到料位表面。

• 成本考量： FMCW雷达传感器通常属于中高端产品，初期投资相对较高，但其高可靠性和低维护需求能带来良好的长期效益。

3.1.3 脉冲雷达（ToF）技术

工作原理和物理基础：

脉冲雷达（Pulse Radar）与激光ToF原理相似，也是飞行时间（ToF）原理的一种应用，但它使用的是微波脉冲而非激光脉冲。传感器发射一系列短时高频微波脉冲，这些脉冲以光速 c 传播。当脉冲遇到焦炭表面时，一部分能量会被反射回来，被传感器接收。传感器通过精确测量发射脉冲与接收反射脉冲之间的时间差 t（即飞行时间）来计算距离 D，从而得出料位。

D = (c * t) / 2

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 典型可达120米。

• 精度： 毫米级。

• 过程温度： 传感器本身可在-40°C至+200°C环境下工作。

• 频率： 常用80吉赫兹（GHz）。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 抗恶劣环境能力强： 80GHz高频脉冲雷达具有极窄的波束角，能够有效穿透粉尘、噪声和强蒸汽，可靠测量，不受介质属性变化影响。

  • 安装调试简便，维护量低： 结构相对简单，通常易于安装和配置。

  • 非接触式： 避免了与高温、磨蚀性物料的直接接触。

• 局限性：

  • 对容器内干扰敏感： 如果容器内部有搅拌器、管道或其他结构，可能会产生虚假回波，需要通过软件进行处理或通过安装位置优化来规避。

  • 高介电常数介质可能导致穿透： 对于某些高介电常数的介质，微波可能部分穿透，影响表面反射。

• 成本考量： 脉冲雷达是散装固体料位检测的常见选择，成本介于中等到中高之间，具有良好的性能价格比。

3.1.4 伽马射线料位计技术

工作原理和物理基础：

伽马射线料位计是一种基于放射性同位素的非接触式测量技术。它由两个主要部分组成：一个低活度的伽马射线源和一个伽马射线探测器。射线源通常安装在容器外部的一侧，探测器安装在容器外部的另一侧，与射线源相对。伽马射线穿透容器壁和内部介质（如焦炭）。

当焦炭料位在射线路径中发生变化时，穿透探测器的伽马射线强度也会随之改变。这是因为物料对伽马射线有吸收作用，料位越高，吸收的射线越多，到达探测器的射线强度就越弱；反之则越强。探测器测量这种伽马射线强度的变化，并将其转换为相应的料位信号。

伽马射线衰减的物理基础是Lambert-Beer定律，但在此处更直观的表达是：

I = I0 * e^(-μ * ρ * D_介质)

其中，I 是穿过介质后的射线强度，I0 是初始射线强度，μ 是介质的质量吸收系数，ρ 是介质密度，D_介质 是伽马射线穿过介质的厚度。料位变化会改变 D_介质，从而改变 I。

核心性能参数的典型范围：

• 测量范围： 可覆盖整个料仓高度，取决于安装位置和源活度。

• 重复性： 通常在±1毫米至±5毫米之间。

• 过程温度/压力： 无限制，因为测量组件安装在容器外部。

• 防护等级： 探测器通常为IP66/IP67。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 极端环境适用性： 完全非接触式测量，探头和放射源安装在容器外部，不受容器内部高温、高压、粉尘、腐蚀、蒸汽等任何极端恶劣工况影响，是焦化炉等特殊环境的理想选择。

  • 高可靠性和稳定性： 几乎免维护，长期运行可靠性高。

  • 穿透力强： 可以穿透任何容器壁（钢、混凝土等），适用于各种复杂的容器结构。

  • 测量不受介质特性影响： 介质的密度、粘度、介电常数等变化对测量结果影响小，只受其对伽马射线的吸收能力影响。

• 局限性：

  • 涉及放射源： 需要遵守严格的放射性物质管理规定，涉及许可审批、安全防护和定期检测。

  • 响应速度相对慢： 测量通常需要一定的积分时间以保证统计精度，因此对快速变化的料位响应可能不如光学或雷达技术。

  • 安装成本高： 射线源和防护装置的成本较高，且安装复杂。

• 成本考量： 伽马射线料位计的初期投资和许可成本最高，但其在极端工况下的无与伦比的可靠性、稳定性和低维护成本，使得其在特定关键应用中成为不可替代的选择。

3.2 市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市面上几个知名品牌在焦化炉料位检测领域的代表产品及优势：

• 1. 瑞士恩德斯豪斯 瑞士恩德斯豪斯是过程自动化领域的领导者，其Micropilot系列雷达物位计享有盛誉。

  • 采用技术： 调频连续波（FMCW）雷达技术。

  • 核心参数： 测量范围可达120米，精度高达±1毫米，过程温度支持-40°C至+200°C，工作频率为80吉赫兹。

  • 应用特点和优势： 以其卓越的精度和重复性著称，特别适用于需要精确料位测量的场合。80吉赫兹的窄波束有效规避容器内部干扰，对焦化炉内常见的粉尘、蒸汽、粘附和温度变化表现出强大的抵抗力。多种天线和密封方案使其能灵活应对焦化炉高温多尘等严苛工况。

• 2. 英国真尚有 英国真尚有提供低成本高精度的激光测距传感器，在需要精确距离测量的工业应用中表现出色。

  • 采用技术： 激光飞行时间（ToF）测距技术。

  • 核心参数： 测量范围可达500米，精度高达±1mm，测量速度可达250Hz。最独特的是，它可以测量高达1550℃的物体表面温度，且在-40°C至+60°C的环境温度下运行，并提供IP65防护等级，也可配备冷却外壳用于更高环境温度。

  • 应用特点和优势： 凭借其远距离测量能力和毫米级精度，在确保非接触测量的同时，其对高温物体表面的直接测量能力，使其在焦化炉高温料位检测中具有显著优势。高测量速度确保了实时性，适合重工业应用。此外，提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB），高精度模拟输出（0.1%），以及两个可编程数字输出（DO1和DO2），方便集成到各种控制系统中。

• 3. 德国维萨拉 德国维萨拉在散装固体料位检测领域享有盛誉，其雷达产品在恶劣工况下表现突出。

  • 采用技术： 脉冲雷达（ToF）技术。

  • 核心参数： 测量范围最高可达120米，精度为±3毫米，过程温度支持-40°C至+200°C，工作频率为80吉赫兹。

  • 应用特点和优势： 采用80吉赫兹高频脉冲雷达技术，波束角极窄，能够有效穿透焦化炉内的大量粉尘、噪声和强蒸汽，并能可靠测量低介电常数的介质，测量结果不受介质属性变化影响。其安装调试简便，维护量低，是恶劣工况下值得信赖的解决方案。

• 4. 德国申克 德国申克在工业传感器和自动化解决方案领域具有领先地位，其激光雷达传感器提供更全面的测量信息。

  • 采用技术： 飞行时间（ToF）原理的激光测距技术，并集成多层扫描功能。

  • 核心参数： 测量范围0.05米至300米，距离精度±40毫米，具备4层扫描能力，防护等级达到IP69K，过程温度为-40°C至+70°C。

  • 应用特点和优势： 区别于单点激光，其多层扫描技术可以对焦化炉内的物料表面进行轮廓扫描，获取更详细的料位和体积信息，对于了解物料堆积形态和精确库存管理非常有利。IP69K的最高防护等级使其能够适应极度恶劣的工业环境。

• 5. 德国福伊特 德国福伊特在极端工业料位检测方面，以其伽马射线技术提供独特的解决方案。

  • 采用技术： 伽马射线辐射测量。

  • 核心参数： 测量范围可覆盖整个料仓高度，重复性在±1毫米至±5毫米之间。测量组件安装在容器外部，因此过程温度和压力几乎无限制。

  • 应用特点和优势： 其最大的优势在于完全非接触式测量，探头和放射源安装在容器外部，彻底不受焦化炉内部高温、高压、粉尘、腐蚀、蒸汽等极端恶劣工况的影响，具有极高的可靠性和稳定性，几乎免维护。能穿透各种容器壁，是高温、磨蚀性、有毒或侵蚀性介质料位检测的理想选择。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在焦化炉这种特殊环境下选择料位传感器，就像为一场极端任务挑选装备，你需要关注装备的核心性能是否能应对挑战。以下是一些关键技术指标及其意义，以及选型建议：

1. 耐温能力（工作环境温度和可测介质温度）

   • 实际意义： 传感器本身能否在焦化炉附近的高温环境中长期稳定工作，以及它能否准确测量高达1000℃甚至1500℃的炽热焦炭表面。

   • 选型建议： 焦化炉工况，首选能直接测量高温物体的激光传感器或外部安装的伽马射线计。如果选择雷达或普通激光，务必配套冷却外壳和空气吹扫系统，以确保传感器本体工作在安全温度范围。

2. 抗粉尘与蒸汽能力

   • 实际意义： 传感器能否穿透焦化炉内弥漫的煤粉、焦粉、烟尘和水蒸气，不受其干扰而稳定测量。

   • 选型建议： 雷达技术（尤其是80GHz高频雷达）通常表现最佳，其微波穿透力强。激光传感器在粉尘大时可能需要强力的空气吹扫系统来保持测量窗口清洁，或者选择更高功率、特定波长的激光。伽马射线计因完全外部安装，不受内部粉尘影响。

3. 测量精度和重复性

   • 实际意义： 测量结果的准确程度（精度）和一致性（重复性）。焦化生产对料位精度的要求直接影响配料和生产节奏。

   • 选型建议： 对于需要精细控制的焦化炉料位，应优先选择精度达到毫米级的激光或雷达传感器。伽马射线计也能提供良好的重复性。

4. 测量范围

   • 实际意义： 传感器能测量的最小和最大距离。确保传感器的测量范围能完全覆盖焦化炉料位的变化区间。

   • 选型建议： 根据焦化炉的实际高度和料位波动范围来选择。例如，如果炉高50米，就需要选择测量范围超过50米的传感器。

5. 响应时间/测量速度

   • 实际意义： 传感器更新测量数据的速度。如果料位变化较快，传感器响应慢就可能错过重要的变化，导致控制滞后。

   • 选型建议： 对于动态料位，选择测量速度快的传感器（如激光ToF）。对于变化缓慢的料位，雷达或伽马射线计的响应速度通常也足够。

6. 防护等级（IP等级）

   • 实际意义： 传感器抵抗固体颗粒（粉尘）和液体（水、蒸汽）侵入的能力。

   • 选型建议： 焦化炉环境粉尘大且可能有冲洗，建议选择至少IP65或更高防护等级的传感器，确保其内部电子元件不受污染和损害。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在焦化炉的实际应用中，我们仍然可能遇到一些挑战。

1. 问题：粉尘/蒸汽干扰导致信号衰减或丢失

   • 原因及影响： 焦化炉内大量悬浮的煤粉、焦粉和高温蒸汽会散射或吸收激光和微波信号，导致反射信号变弱，甚至无法被传感器接收，造成测量不稳定、数据跳变或无读数。

   • 解决建议：

     • 空气吹扫系统： 在传感器测量窗口前安装吹扫装置，用压缩空气或氮气形成一道气帘，阻止粉尘和蒸汽进入测量路径或附着在窗口上。

     • 选择高频雷达： 80GHz等高频雷达波束更窄、穿透力更强，对粉尘和蒸汽的抵抗力优于一般激光。

     • 倾斜安装： 将传感器稍微倾斜安装，减少测量路径上积累的粉尘或蒸汽。

     • 优化安装位置： 尽量选择粉尘和蒸汽相对较少的区域进行安装，避开装料口正下方等重污染区。

2. 问题：高温环境导致传感器过热损坏

   • 原因及影响： 焦化炉周围环境温度和炉内介质温度极高，如果传感器本体没有足够的耐温能力或散热措施，会因长时间高温工作而加速老化、性能下降甚至直接损坏。

   • 解决建议：

     • 冷却外壳/夹套： 为传感器配备水冷或风冷外壳，通过循环冷却介质降低传感器本体温度，使其在允许的工作环境温度范围内运行。

     • 隔热措施： 在传感器与高温区域之间设置隔热层。

     • 远程安装： 如果条件允许，选择带有光纤或导波杆等延长组件的传感器，将电子处理单元安装在远离高温区的安全位置。

     • 选择耐高温传感器： 优先选择本身就具备高环境温度工作能力或能测量高温物体表面的传感器（如英国真尚有的高温激光测距传感器）。

3. 问题：物料表面不平整或堆积形状复杂

   • 原因及影响： 焦炭在炉内的堆积可能不均匀，形成斜坡、锥形或多个高点/低点，单点测量传感器可能无法准确反映整体料位，造成误判。

   • 解决建议：

     • 多点测量： 在炉顶安装多个传感器，对不同区域的料位进行测量，通过平均值或加权平均值来估算整体料位。

     • 扫描式激光雷达： 采用德国申克等品牌的扫描式激光雷达，可以获取物料表面的三维轮廓数据，更精确地计算料位和体积。

     • 优化安装位置： 将单点传感器安装在物料堆积相对稳定的中心区域或代表性区域。

     • 高级算法： 利用滤波和数据处理算法，对不稳定数据进行平滑处理，并结合历史数据趋势进行预测。

4. 问题：容器内部结构干扰产生虚假回波

   • 原因及影响： 焦化炉内壁可能不光滑，或有检修平台、支架等结构，这些结构可能反射雷达或激光信号，产生虚假回波，导致传感器识别错误，读数不稳定。

   • 解决建议：

     • 窄波束传感器： 选择波束角极窄的传感器（如80GHz雷达），其能量更集中，减少对侧壁和内部结构的照射。

     • 参数配置优化： 在传感器配置中设置屏蔽区域，忽略特定距离范围内的回波，避开已知干扰源。

     • 优化安装角度： 调整传感器安装角度，使测量光束或微波束避开主要干扰结构。

4. 应用案例分享

• 焦化炉装料口料位监测： 在焦化炉顶部装煤口，安装激光或雷达料位计，实时监测煤料的填充高度，确保装料均匀、适量，避免超高或欠载，从而优化焦炭质量和生产效率。

• 煤塔或焦仓料位控制： 用于监测煤塔或焦仓的储存量，通过料位数据控制输送带或给料机的启停，实现自动化补料和排料，保障连续生产并防止堵料或空仓。

• 烧结厂料仓料位检测： 在烧结厂混合料、烧结矿料仓中，利用雷达或伽马射线料位计监测料位，指导配料和烧结过程，确保原料供应稳定。

• 高炉炉顶料面控制： 在钢铁行业的高炉炉顶，采用耐高温、抗粉尘的激光或雷达传感器，精确测量炉内料面高度，是实现高炉自动化布料和稳定生产的关键。

参考资料： * JJG 1079-2012 飞行时间式激光测距仪检定规程 (类似原理，非焦化炉专用) * GB/T 36369-2018 工业过程测量控制和自动化 电磁流量计 * GB/T 28169-2011 散料储存和排放设备 液位计的选择和安装导则