在1500℃以上高温、烟尘、渣层恶劣环境下，如何选用非接触式传感器实现±1毫米精度、毫秒级响应的钢水液位监测？【连铸结晶器, 冶金自动化】

1. 钢水液位的基本特征与监测技术要求

想象一下，钢水就像一锅正在沸腾、高达1500-1650℃的岩浆，它被盛放在巨大的钢包、中间包或连续铸造的结晶器里。它的表面可能不平整，有波浪起伏，还常常漂浮着厚厚的炉渣，同时伴随着大量的烟雾和水蒸气。在这样的恶劣环境中，操作人员难以近距离直接观察和测量，因此非接触式监测就成了必然选择。

对钢水液位监测的技术要求主要体现在以下几个方面：

• 耐高温性： 传感器必须能在钢厂的高温环境下稳定工作，甚至直接面对辐射热。

• 抗干扰性： 烟雾、水蒸气、粉尘、渣层以及强大的电磁干扰，都可能影响测量信号，设备需要有强大的抗干扰能力。

• 高精度与高响应速度： 尤其是在连续铸造结晶器，液位波动直接影响铸坯质量和生产安全，需要毫秒级的响应和毫米级的精度。

• 非接触性： 这是为了保障人员安全和设备寿命，避免与高温钢水直接接触。

• 可靠性与稳定性： 钢厂生产连续性高，任何测量中断或错误都可能导致重大损失，设备需长期稳定运行。

• 易于安装与维护： 考虑到钢厂复杂的空间和高强度作业，设备应尽量简化安装和日常维护。

2. 钢水液位监测参数与评价方法简介

在钢水液位监测中，我们主要关注以下几个核心参数及其评价方法：

• 液位高度（Level Height）： 这是最基本的测量目标，表示钢水表面到某一固定参考点的垂直距离。其评价通常通过传感器输出的数字量或模拟量信号来直接反映，并通过与已知参考点（如结晶器顶部边缘或钢包底部）的距离差来计算实际液位。

• 测量精度（Measurement Accuracy）： 指的是测量结果与真实液位值之间的一致性程度。评价方法通常是在受控环境下，使用已知标准的液位进行多次测量，计算测量值与标准值之间的偏差，用最大误差或统计学上的标准差来表示，例如“±1毫米”。

• 重复性（Repeatability）： 指的是在相同测量条件下，对同一液位进行多次测量时，结果之间的一致性。它反映了传感器自身的稳定性。评价时，通常计算多次测量结果的离散程度（如标准差），重复性越好，表示测量越稳定。

• 响应时间（Response Time）： 指传感器从接收到液位变化到输出相应测量结果所需的时间。这对于快速变化的钢水液位（如连铸结晶器）至关重要。评价时，通过快速改变液位并记录传感器输出信号达到稳定所需的时间来衡量。

• 测量范围（Measurement Range）： 指传感器能够有效测量液位的最小和最大距离。选择时需确保覆盖应用中可能出现的所有液位变化范围。

• 环境适应性： 评价传感器在高温、高湿、多尘、电磁干扰等恶劣工况下的性能表现。通常通过在模拟或实际工况下进行长时间运行测试来验证其稳定性和可靠性。

3. 实时监测/检测技术方法

炼钢厂的钢水液位监测，由于其极端恶劣的环境，催生了多种非接触式的先进技术方案。

3.1 市面上各种相关技术方案

这里我们主要讨论几种在钢厂环境中表现优异、原理各异的非接触式测量技术：

激光测距技术

工作原理和物理基础： 激光测距技术是利用激光束作为载体，通过测量激光从发射到目标表面反射再返回接收器所需的时间来计算距离。这种方法通常被称为“时间飞行法”（Time of Flight, ToF）。 想象一下，你对着远处的一面墙喊一声，然后听到回声。你通过计算喊声发出到听到回声之间的时间，就能估算出你与墙壁的距离，因为你知道声音传播的速度。激光测距的原理与之类似，只不过它使用的是速度更快的激光。传感器发射一个非常短促的激光脉冲，这个脉冲以光速（c，大约3 x 10^8 米/秒）直线传播，撞击到钢水液面后被反射回来，然后被传感器内部的接收器捕捉到。 传感器内部的高精度计时器会精确记录下从激光发射到接收的总时间 t。由于激光是直线往返，所以它走过的总距离是两倍的测量距离 D。 因此，我们可以通过一个简单的公式来计算距离： D = (c * t) / 2 其中，D 是传感器到钢水液面的距离，c 是光速，t 是激光往返的时间。 要达到毫米级的精度，就需要计时器能够测量到纳秒级别甚至更短的时间。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围：可从几十毫米到数百米，甚至达到500米。 * 精度：通常可达 ±1 毫米或更高。 * 响应时间：通常在毫秒级，例如10毫秒到4毫秒（对应250Hz的测量速度）。 * 可测温度：高温型激光传感器可直接测量高达1550℃的物体表面。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度高，响应速度快，可实现远距离非接触测量。对于钢水这种具有一定反射性的表面，激光信号强度通常足够。 * 局限性： 易受烟雾、水蒸气和粉尘的干扰，这些颗粒会散射或吸收激光，导致信号减弱甚至丢失。钢水表面的强反光（镜面反射）也可能影响测量稳定性，需要优化传感器角度和算法。传感器本身需要良好的冷却防护，以应对钢厂的高温环境。 * 成本考量： 中等偏高，但随着技术发展，成本正在逐渐降低。

毫米波雷达测距技术

工作原理和物理基础： 毫米波雷达技术利用特定频率范围的电磁波（毫米波）来测量距离。在钢厂中，常采用调频连续波（FMCW）雷达。 想象一下，雷达就像一个不断唱歌的“小鸟”，它发出的歌声（微波信号）的音调（频率）在持续地、线性地变化。当这个歌声遇到钢水液面反射回来时，由于距离的存在，回声会有一个时间延迟。因为歌声的音调在不断变化，所以回声的音调会和当前发出的歌声音调产生一个差异。 这个“音调差异”（频率差 Δf）就直接反映了歌声往返所需的时间。雷达通过测量这个频率差，就能精确计算出距离。 其核心原理是：发射信号的频率随时间线性变化，f_发射(t) = f_0 + k * t，其中 k 是频率变化率。反射信号在经过时间 τ 延迟后被接收，其频率为 f_接收(t) = f_0 + k * (t - τ)。 接收信号与发射信号的频率差 Δf = f_发射(t) - f_接收(t) = k * τ。 而光速 c 和传播时间 τ 的关系是 2 * D = c * τ，所以 τ = 2 * D / c。 代入 Δf 的公式，即可得到距离 D： D = (c * Δf) / (2 * k) 其中 c 是光速，Δf 是频率差，k 是频率变化率（k = B / T，其中 B 是频率扫描带宽，T 是扫描周期）。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围：可达几十米（例如50米）。 * 精度：通常可达 ±1 毫米。 * 频率：常用80 GHz等高频段。 * 响应时间：通常在毫秒到亚秒级。

技术方案的优缺点： * 优点： 毫米波具有较强的穿透能力，受钢厂环境中的烟尘、水蒸气、温度波动和表面湍流的影响较小，测量稳定可靠，维护需求低。 * 局限性： 相较于激光，在极短距离下的精度可能略逊一筹；对于强吸波材料的表面，反射信号可能较弱。 * 成本考量： 中等偏高。

电磁感应液位测量技术

工作原理和物理基础： 电磁感应液位测量技术利用电磁场与导电液体的相互作用来确定液位。 想象一下，你在钢水容器壁外侧放置一个通电的线圈，就像一个“隐形磁铁”。当这个线圈中通入高频交流电时，它会产生一个交变的磁场。如果容器内的导电性液体（比如钢水）进入这个磁场区域，根据法拉第电磁感应定律，钢水内部就会感应出涡流。 这些涡流就像钢水内部的小型电流环，它们又会产生一个次级磁场。这个次级磁场会反过来影响到原始线圈的阻抗（可以理解为线圈对电流的“抵抗力”）。当钢水液位变化时，进入磁场区域的钢水体积发生变化，感应涡流的强度也随之变化，进而导致线圈阻抗发生可测量的变化。 系统通过测量线圈阻抗的精确变化，就能反推出导电液体的液位。为了提高精度和测量范围，通常会采用多个感应线圈组合设计。

核心性能参数的典型范围： * 测量范围：通常为几十到几百毫米（如50-300毫米），适用于结晶器等狭窄空间。 * 精度：通常可达 ±1 毫米。 * 响应时间：极快，通常小于10毫秒。 * 适用环境：专为极高温熔融金属液位检测设计，传感器外部耐受高温。

技术方案的优缺点： * 优点： 对高温、烟尘、水蒸气、强光、电磁干扰等恶劣环境具有极强的抗干扰能力，测量精度高，响应速度快，是熔融金属液位检测的理想选择。传感器不直接接触钢水。 * 局限性： 仅适用于导电性液体；测量范围相对有限，主要用于结晶器等小范围高精度液位控制；传感器需要靠近被测容器壁安装。 * 成本考量： 较高。

放射性同位素液位测量技术

工作原理和物理基础： 放射性同位素液位测量技术是利用伽马射线穿透物质时衰减的特性来测量液位。 想象一下，在钢水容器的一侧放置一个“微型手电筒”，它发出的是一种特殊的、肉眼不可见的“光线”——伽马射线（通常来自低活度的放射源，如铯-137）。在容器的另一侧，放置一个“感光器”——伽马射线探测器。 伽马射线会穿过容器壁和内部的钢水到达探测器。关键在于，钢水对伽马射线具有吸收作用：钢水越厚，吸收的伽马射线就越多，到达探测器的射线强度就越弱；反之，钢水越薄（液位越低），射线穿过的钢水越少，到达探测器的射线强度就越强。 通过精确测量探测器接收到的伽马射线强度的变化，系统就能反推出钢水液位的准确高度。这种方法是完全非接触的，且测量原理不受钢水表面的物理状态（如泡沫、渣层、温度、湍流）影响。

核心性能参数的典型范围： * 测量精度：通常优于 ±1 毫米。 * 响应时间：极快，通常小于0.5秒。 * 适用环境：对极高温度、粉尘、蒸汽、电磁干扰等极端苛刻环境具有极强适应性。

技术方案的优缺点： * 优点： 极高的可靠性和精度，对各种恶劣环境（包括高温、粉尘、泡沫、电磁场、渣层）具有免疫力，几乎不受外部条件干扰，实现极其稳定的液位控制。 * 局限性： 涉及放射源，需要严格的安全许可和操作规程，有辐射防护要求，安装和维护成本较高。 * 成本考量： 较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在钢水液位监测领域，以下是一些知名国际品牌及其解决方案：

• 美国艾默生 美国艾默生是全球领先的自动化解决方案供应商，其罗斯蒙特系列雷达液位变送器在工业界享有盛誉。针对炼钢厂应用，他们采用非接触式调频连续波（FMCW）毫米波雷达技术，例如罗斯蒙特 5900S 系列。该系统发射连续变化的微波信号，通过测量发射和接收信号的频率差来计算距离。其优势在于毫米波对高粉尘、蒸汽、温度和表面湍流的穿透能力强，测量稳定可靠，维护需求低。其产品测量范围可达50米，精度±1毫米，工作频率80 GHz，过程温度最高可达200°C（取决于具体配置）。

• 英国真尚有 英国真尚有提供的LCJ系列低成本激光测距传感器，是集成到工业应用中的强大解决方案。该系列采用创新的激光测距技术，通过测量激光脉冲往返目标的时间来确定距离。其特点是高精度和对高温物体的测量能力，实测最高表面温度可达1550℃。LCJ系列测量范围可从0.05米至500米，精度高达±1mm，测量速度快达250Hz。它由坚固的金属外壳构成，提供IP65级保护，可在-40℃至+60℃的环境温度下正常使用，并可配备冷却外壳以应对更高环境温度，使其适用于重工业和户外应用。该系列传感器提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB），以及高精度模拟输出和两个可编程数字输出，方便集成到各种控制系统中。

• 德国易迈格 德国易迈格在金属行业自动化领域技术深厚，其IMEC感应式液位测量系统专为钢水、铝水等熔融金属液位检测设计。它基于电磁感应原理，通过测量感应线圈阻抗的变化来精确推断导电液体的液位。这种技术能够有效应对高温、烟尘和电磁干扰等恶劣环境，提供高动态、高精度的液位控制，对于连续浇铸过程的稳定性至关重要。IMEC系统通常测量范围在50-300毫米，精度可达±1毫米，响应时间小于10毫秒。

• 英国普锐特冶金 英国普锐特冶金是全球领先的冶金设备和技术供应商，其激光液位测量系统同样采用激光测距原理。系统发射激光束，通过测量激光从发射到接收的时间（时间飞行法，ToF）来计算传感器到钢水液面的距离。该系统通常配备高性能光学元件和冷却系统，以应对钢厂高温、烟尘和强反光的恶劣环境，并通过算法滤除干扰，提供精确液位数据。普锐特冶金的激光系统精度通常可达±1毫米，响应时间实时，常用于连铸结晶器内几十到几百毫米的液位控制，以优化连铸过程和提高铸坯质量。

• 德国贝加莱 德国贝加莱是全球领先的辐射测量技术专家，其LB 460 系列连续浇铸结晶器液位测量系统是该领域的行业标准。该系统基于放射性同位素原理，通过测量伽马射线穿透钢水后的强度衰减来精确、非接触地推断钢水液位。该技术具有极高的可靠性、精度和对恶劣环境的抗干扰能力，不受高温、粉尘、泡沫和电磁场的影响。其测量精度通常优于±1毫米，响应时间小于0.5秒，能够实现极其稳定的液位控制，对于提高铸坯质量、避免拉漏事故具有关键作用。

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

选择合适的钢水液位监测设备，就像为精密外科手术挑选工具一样，每个指标都可能影响最终的效果和安全性。

• 测量精度： 这是指测量结果与实际液位值的接近程度，比如±1毫米。在钢水监测中，尤其是连铸结晶器液位控制，毫米级的精度是确保铸坯质量和避免生产事故的关键。如果精度不够，液位的小幅波动可能无法及时捕捉，导致铸坯缺陷甚至拉漏。

• 重复性： 指的是传感器在相同条件下多次测量同一液位时，结果的一致性。重复性差的传感器会给出“漂移”的读数，就像一个不稳定的天平，每次称重都有细微差别，让人难以信任。高重复性是保证控制系统稳定运行的基础。

• 响应时间/采样频率： 指传感器能多快地反馈液位变化。钢水液位，特别是连铸过程中，可能会快速波动。如果响应时间太慢，就像交通信号灯延迟，等到你看到液位变化再调整，可能已经错过了最佳控制时机，导致“过冲”或“欠调”。高采样频率能提供更实时的液位数据，对动态控制至关重要。

• 测量范围： 指传感器能测量的最小到最大距离。你需要根据实际应用场景来选择，比如钢包液位变化范围可能较大（几米），而结晶器液位通常只在几十到几百毫米的狭小范围内波动。

• 环境适应性（耐温、防尘、防潮、抗电磁干扰）： 这是钢厂应用的核心考量。

  • 耐温： 传感器本身能否在高温环境下工作，以及是否需要冷却保护。如果传感器不耐高温，就会像在火炉旁放块冰块，很快失效。

  • 防尘防潮： 钢厂粉尘大、水蒸气多，防护等级（如IP65）要高，确保内部元件不受侵蚀。

  • 抗电磁干扰： 钢厂有大功率电机、电炉等设备，电磁环境复杂，传感器需要有良好的抗干扰能力，避免“串台”或读数失真。

• 接口与输出： 传感器提供的数据如何与工厂的PLC或DCS系统通信？常用的有RS232/485、模拟量（4-20mA）或数字输出。选择与现有控制系统兼容的接口能大大简化集成工作。

• 成本（初次投入与维护）： 不仅仅是设备的购买价格，还要考虑安装、校准、日常维护和备件的成本。有些技术虽然初次投入高，但后期维护成本低，综合来看可能更经济。

选型建议：

• 对于连铸结晶器液位等需要极高精度和快速响应的场景： 优先考虑电磁感应技术、激光测距技术或放射性同位素技术。这些技术能提供毫秒级的响应和毫米级的精度，对提高铸坯质量、避免事故至关重要。如果对放射源有顾虑，则优先考虑前两种。

• 对于钢包、中间包等液位范围较大、环境相对恶劣但精度要求稍宽泛的场景： 可以选择毫米波雷达技术或激光测距技术。

• 对于需要直观图像监控和渣钢界面识别的场景： 工业视觉和图像处理技术是很好的补充，它能提供更多维度的信息，但其精度和抗干扰能力可能不如其他专用液位计。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在炼钢厂实际应用非接触式钢水液位监测设备时，我们可能会遇到各种“拦路虎”，但总有应对之道：

• 问题一：高温环境对传感器寿命和稳定性的影响

  • 原因与影响： 钢厂环境温度普遍较高，钢水本身的高辐射热会加速传感器老化，导致测量漂移甚至失效。如果传感器过热，内部电子元件会失准，就像电脑过热会死机一样。

  • 解决建议：

    • 配备冷却装置： 大多数高温传感器都会配套水冷套或风冷套。水冷效率更高，但需要维护水路；风冷则相对简单。

    • 选用耐高温材料： 传感器外壳和光学窗口应选用特种耐高温材料。

    • 增加隔热防护： 在传感器周围设置隔热罩或防护箱，减少辐射热的直接影响。

    • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在距离热源稍远，且有良好通风的位置。

• 问题二：烟雾、水蒸气、粉尘对光信号/微波信号的衰减和干扰

  • 原因与影响： 钢水表面产生的金属蒸汽、燃烧烟气和冶炼过程中产生的大量粉尘，会散射、吸收激光或毫米波信号，导致信号强度减弱，信噪比下降，测量不稳定，甚至无法测量。这就像在浓雾中开车，视线会变得模糊。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫装置： 在传感器光学窗口前安装空气吹扫喷嘴，用干净的压缩空气持续吹扫窗口，防止粉尘和水蒸气附着。

    • 选择抗干扰强的技术： 对于烟尘和水蒸气严重的区域，毫米波雷达或放射性同位素技术通常表现更优。

    • 优化安装角度： 尽量避开烟尘最密集的区域，或者采用倾斜安装以减少信号穿过烟雾的路径长度。

    • 信号处理算法优化： 通过高级滤波算法，从弱信号中提取有效信息。

• 问题三：钢水表面渣层、翻腾波动、强反光等复杂特性带来的测量挑战

  • 原因与影响： 钢水表面常常覆盖一层不规则的渣层，液位会因钢水流动、搅拌而剧烈波动，同时高温钢水表面具有强烈的镜面反射特性，这些都会影响激光或雷达信号的准确反射和接收。渣层会“欺骗”传感器，让它以为渣层是液位，而波动和反光则让测量结果忽高忽低，不稳定。

  • 解决建议：

    • 多点测量与平均： 部署多个传感器进行测量，然后对数据进行平均或加权处理，以消除局部波动的影响。

    • 激光漫反射技术： 采用特殊设计的激光器，使其发射的激光束在钢水表面形成漫反射，减少镜面反射的干扰。

    • 特定技术选择： 电磁感应和放射性同位素技术对渣层和表面波动不敏感，因为它们能直接“穿透”或“感受”到导电钢水。

    • 高级算法处理： 开发或使用具备渣层识别和抑制功能的图像处理算法（针对视觉系统），或信号处理算法（针对激光/雷达），以区分钢水和渣层。

    • 避开强反射角： 调整激光/雷达传感器的安装角度，避免正对钢水表面形成镜面反射，改用微倾斜角利用漫反射信号。

4. 应用案例分享

钢水液位精准监测技术在炼钢厂的多个关键环节都发挥着不可替代的作用：

• 连铸结晶器液位控制： 在连续铸造过程中，结晶器内的钢水液位必须严格控制在极小的波动范围内（通常在±5毫米甚至±1毫米），以确保铸坯表面质量，避免铸坯“鼓肚”或“拉漏”等严重事故。例如，在需要远距离监测的钢包或中间包液位监测中，可以使用测量范围较大的激光测距传感器，如英国真尚有的LCJ系列，其最远测量距离可达500米。

• 钢包/中间包液位监测： 监测钢包出钢、中间包加钢过程中的液位，有助于精准控制钢水流量，防止钢渣混入，提升钢水纯净度，确保下游连铸生产的稳定进行。

• 电炉/转炉出钢液位控制： 在电弧炉或转炉出钢时，通过监测出钢口的钢水液位，可以优化出钢节奏，避免出钢过快或过慢，减少钢渣混入，提高合金回收率。

• 真空处理炉液位监测： 在钢水进行真空脱气等精炼处理时，液位监测可以帮助操作人员掌握炉内钢水状态，优化工艺参数，提升精炼效果。