在1200-1600℃高温、烟尘弥漫的铸造现场，如何选择非接触式传感器以实现熔融金属液位±5毫米的精准监测？【智能制造】

1. 熔融金属液位测量的基本结构与技术要求

在铸造行业中，熔融金属液位测量是一个至关重要的环节，它直接关系到生产的安全、产品质量和生产效率。想象一下，铸造炉或中间包就像一个巨大的“汤锅”，里面盛满了高达几百甚至上千摄氏度的液态金属。我们需要精确知道锅里有多少“汤”，才能确保每一次倒汤（浇注）都恰到好处，既不过量溢出造成危险和浪费，也不过少导致产品不合格。

因此，对熔融金属液位的测量有以下几个核心要求：

• 高温环境适应性： 熔融金属温度极高，通常在600°C到1600°C之间，甚至更高。传感器必须能够在这种极端高温辐射和对流热的环境下稳定工作，或者有可靠的防护措施。

• 非接触性： 直接接触熔融金属不仅会导致传感器损坏，还会污染金属液，影响产品质量。所以，非接触式测量是唯一可行的方案。

• 测量精度和稳定性： 液位波动可能很小，但对浇注量的影响却很大。需要达到毫米级甚至亚毫米级的测量精度，并且在长期运行中保持稳定，不受炉内烟雾、蒸汽、金属液表面波动等因素的干扰。

• 快速响应： 在连续铸造或快速浇注过程中，液位变化很快，传感器需要迅速捕捉这些变化并输出数据，以便控制系统及时调整。

• 恶劣环境耐受性： 铸造车间通常存在大量粉尘、金属烟雾、强振动和电磁干扰，传感器及其附件需要具备高防护等级和抗干扰能力。

• 操作简便与维护性： 传感器安装、校准和日常维护要尽量简单，以减少停机时间和人力成本。

2. 熔融金属液位监测参数简介

在铸造生产中，对熔融金属液位的监测主要关注以下几个参数，这些参数的准确获取是保障生产安全和质量控制的基础：

• 实时液位高度： 这是最直接的参数，指金属液表面相对于某一固定基准点的高度。它的定义通常是从传感器安装位置到液面之间的距离。通过连续监测，可以了解液位的动态变化。评价方法通常是与已知的物理高度或参考点进行比对，衡量其绝对误差和相对误差。

• 液位波动范围： 熔融金属液面受搅拌、气体注入、物料添加等因素影响，会有一定程度的起伏。液位波动范围是指在一定时间内，液位最大值与最小值之间的差值。这个参数可以评估液面稳定性，对于需要平稳浇注的工艺尤为重要。评价方法是统计一段时间内的测量数据，计算其标准差或峰谷差。

• 液位变化速率： 指液位高度随时间变化的快慢。例如，在浇注或补料时，液位会快速上升或下降。准确掌握变化速率有助于控制进料或出料的速度，避免过快溢出或过慢影响生产节奏。评价方法是通过连续测量数据的差分计算得到。

• 液面平整度： 理想情况下，液面应是平整的。但在某些情况下，如坩埚内衬磨损、金属液流动模式异常等，可能导致液面局部高低不平。平整度通常通过多个点位的液位测量数据进行评估，或者通过线扫描、面扫描来获取液面轮廓。评价方法可以通过测量点之间的相对高度差或液面轮廓的均方根误差来衡量。

这些参数的准确获取，就像给铸造炉装上了一双“眼睛”，让操作人员能够“看清”炉内情况，从而及时做出决策，确保生产安全稳定。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在熔融金属液位测量领域，为了克服高温、烟尘等恶劣环境挑战，业界发展出了多种非接触式测量技术。

3.1.1 激光三角测量法

激光三角测量法是利用光学三角原理进行距离测量的一种技术。它就像我们用眼睛判断物体远近一样，但更为精确。想象一下，传感器会发射一束非常细的激光束到熔融金属液面，这束激光在液面上形成一个光点。当液位发生变化时，这个光点反射回来的光线，其入射角度也会随之改变。传感器内部有一个高灵敏度的接收器（比如CCD或CMOS线阵相机），它会捕捉到反射光点的位置变化。通过测量光点在接收器上的位置偏移量，结合传感器发射器和接收器之间的已知距离以及它们相对于测量基线的夹角，就可以精确地计算出液面的距离。

其核心物理基础是几何三角关系。设激光发射器与接收器之间的基线长度为L，激光器与接收器轴线之间的夹角为α，接收器光轴与基线垂直，光点在接收器上的偏移量为Δx。那么，目标物体的距离Z可以用以下近似公式表示（简化版，具体公式会更复杂，涉及透镜焦距等）：

Z = (L * f) / (Δx * cos(θ) + f * sin(θ))其中 f 是接收器光学系统的焦距，θ是激光入射角。在简化的垂直入射模型中，Z = L * tan(α)，或者通过接收器光点位置与已知几何参数计算。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常在几毫米到几百毫米之间，例如10毫米至500毫米。* 精度：可达微米级到几十微米，相对精度通常在0.05% F.S.（满量程）以内。* 分辨率：能达到测量范围的0.01%甚至更高。* 响应时间：通常在毫秒级，最高可达几十千赫兹的采样频率。

技术方案优缺点：* 优点： 测量精度极高，尤其适用于短距离高精度测量；响应速度快，能捕捉快速变化的液位；非接触式测量，避免污染；部分传感器可选配蓝光或UV激光，能有效抑制高温物体自身发光对测量的干扰，提高测量稳定性。* 缺点： 容易受到液面烟雾、蒸汽、反射光特性（如镜面反射或漫反射）的影响；测量范围相对较短；高温环境下，传感器本身对环境温度敏感，可能需要额外的冷却或防护措施；价格相对较高。* 适用场景： 适用于对精度要求极高、测量距离适中的熔融金属液位精细控制，例如精密铸造、连铸过程中的结晶器液位控制。* 局限性： 传感器与被测物之间需保持清晰的视线，不能有严重的遮挡物。

3.1.2 激光飞行时间法（ToF）

激光飞行时间法，顾名思义，是通过测量激光脉冲从传感器发出，到达物体表面再反射回传感器所需的时间来计算距离。这就像你喊一声，然后根据回声传回的时间来估算山谷的宽度。由于光速是一个已知且非常大的常数，即使是很短的时间差也能对应精确的距离变化。

其核心原理是距离等于光速乘以时间的一半：距离 D = (c * t) / 2其中 c 是光速（约3x10^8 米/秒），t 是激光脉冲往返的总时间。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常从几十毫米到几米甚至几十米，具有长距离测量的优势。* 精度：通常在几毫米到几十毫米级别，相对精度在±0.1%到±2% F.S.之间。* 分辨率：通常为毫米级。* 响应时间：从几百微秒到几十毫秒不等。

技术方案优缺点：* 优点： 测量距离远，适合大型炉具或需要保持较远安全距离的场景；对目标物体的颜色、光泽度或倾斜度变化不敏感，鲁棒性较好；结构相对简单，安装灵活。* 缺点： 相较于激光三角测量，其测量精度通常较低，不适合微米级的精密测量；在极端高温下，目标物体的热辐射可能对传感器接收信号造成一定干扰，但先进的算法和滤波技术可以缓解。* 适用场景： 适用于大型铸造炉、铁水包等场合的液位监测，对测量精度要求不是极致但要求长距离、大范围监测的场景。* 局限性： 不适合对液位高度进行超高精度的微小变化检测。

3.1.3 调频连续波雷达（FMCW Radar）

调频连续波雷达技术与前两种光学方法不同，它使用的是微波信号而非激光。想象一下，传感器连续不断地发射一种频率在持续变化的微波信号（就像一个不断变调的哨子），当这个信号接触到熔融金属液面并反射回来时，反射信号的频率会与此刻传感器发射的频率存在一个差异。通过测量这个频率差，就可以精确计算出信号往返的时间，进而得到距离。这就像通过分析你喊出的声音和回声之间的音高差异来判断距离一样。

其核心原理是测量发射信号和接收信号的频率差 Δf，这个频率差与距离 D 成正比：Δf = (2 * D * B) / (c * T)其中 D 是距离，B 是频率扫描带宽，T 是扫描周期，c 是光速。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：可从几十厘米到几十米，甚至上百米。* 精度：通常在毫米到厘米级别，例如±2毫米到±10毫米。* 重复精度：可达±1毫米到±2毫米。* 响应时间：通常在几十毫秒到几百毫秒。

技术方案优缺点：* 优点： 对环境适应性极强，不受烟雾、灰尘、蒸汽、光照甚至高温热辐射的影响，因为微波信号能穿透这些障碍物；测量距离远；抗干扰能力强，适合极端恶劣的工业环境。* 缺点： 测量精度通常不如激光三角测量，在毫米级以下精度需求时可能不足；传感器体积相对较大；价格相对较高。* 适用场景： 特别适合于钢铁厂、水泥厂等高温、多尘、高湿、烟雾弥漫的极端工业环境中的大范围液位或物位监测。* 局限性： 对于液位表面形状复杂或存在强吸波材料的情况，可能会影响测量效果。

3.1.4 共聚焦测量法

共聚焦测量法是一种利用白光进行超高精度非接触测量的技术。它不同于激光点或线，而是发射一个宽光谱的白光，通过特殊的光学系统将其聚焦到物体表面。关键在于，传感器内部设计了一个“门槛”，只有当物体表面恰好处于这个光学系统的焦点上时，反射回来的特定波长的光才能穿过一个微小的针孔，到达探测器并被检测到最强的光信号。通过扫描不同的焦点位置，并关联最高光强对应的波长或焦平面位置，就可以以纳米级精度确定物体表面的距离。可以想象成用一把放大镜，只有当物体在焦点时，图像才最清晰。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：非常短，通常在几百微米到几毫米，例如1毫米。* 精度：可达纳米级，例如10纳米。* 分辨率：通常为测量范围的0.01%甚至更高。* 采样频率：可达几千赫兹。

技术方案优缺点：* 优点： 测量精度和分辨率极高，达到纳米级别，远超其他技术；对多种表面类型（包括镜面、透明、粗糙甚至吸光表面）均适用，且不受物体颜色和材料特性的影响；无热效应，对被测物无损伤。* 缺点： 测量范围非常短，不适合大范围液位测量；对传感器与被测物之间的距离要求非常严格，安装调试复杂；成本极高；对环境中的振动和空气扰动非常敏感。* 适用场景： 适用于对熔融金属液位进行超高精度微观表面形貌或极微小液位波动检测的特定研发或实验室环境，例如对液面张力、凝固前沿等微观特性的研究。不适用于铸造行业生产线的常规液位监测。* 局限性： 无法穿透烟雾和蒸汽，对环境洁净度要求极高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在熔融金属液位测量，特别是高精度非接触测量领域，一些国际知名品牌提供了多样化的解决方案。

• 德国米铱

  • 采用技术： 激光三角测量。

  • 核心性能参数： 测量范围通常为几毫米至几百毫米（例如optoNCDT 2300LL-300系列提供300毫米量程），分辨率可达微米级（如0.45微米），线性度在±45微米左右，采样速率可达49千赫兹。采用特殊激光线和RTSC智能实时表面补偿，并结合热辐射滤波器。

  • 应用特点与独特优势： 在激光三角测量领域享有盛誉，其产品以极高的精度和分辨率著称。尤其擅长处理高温发光物体表面，通过特殊的激光波长和信号处理技术，能有效抑制金属液面的热辐射干扰，确保稳定的测量结果。适用于对精度和速度要求极高的连铸结晶器液位控制、钢水包液位监测等。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光三角测量。

  • 核心性能参数： ZLDS103系列提供10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择，线性度可达±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高9400Hz。可选配蓝光或UV激光器（405nm或450nm波长），防护等级达IP67。

  • 应用特点与独特优势： 英国真尚有ZLDS103以其小巧紧凑的设计和高性能脱颖而出，尺寸仅为4530.517mm。它在提供高精度、高速度测量的同时，非常适合安装在空间受限的铸造生产线。尤其可选的蓝光/UV激光器，使其在测量高温熔融金属液位时，能有效减少背景热辐射的干扰，提高测量稳定性。IP67防护等级也保证了在恶劣环境下的可靠性。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光飞行时间法（ToF）。

  • 核心性能参数： 检测范围宽广，从几十毫米到几米（如LR-T5000系列稳定检测范围50-4000毫米），测量精度通常为±2% F.S.，响应时间最快可达200微秒。

  • 应用特点与独特优势： 日本基恩士的ToF传感器以其长距离检测能力和对目标表面特性变化的良好适应性著称。在铸造行业，当需要从较远距离监测大型熔炉或铸包的液位时，ToF技术显示出其优势。它对液面反射率、倾斜度变化不敏感，安装灵活，适合对高温物体进行较长距离的非接触式在线批量距离检测。

• 德国西克

  • 采用技术： 调频连续波雷达（FMCW Radar）。

  • 核心性能参数： 测量范围广泛，从0.2米到60米，精度可达±10毫米，重复精度±2毫米，响应时间100毫秒，工作频率24吉赫兹，环境温度适应性强（-40°C至+65°C）。

  • 应用特点与独特优势： 德国西克的FMCW雷达技术在环境适应性方面表现卓越。它能够有效穿透铸造现场常见的烟雾、蒸汽和大量粉尘，提供稳定的液位测量，是其他光学传感器难以企及的。对于钢铁、有色金属等高温、多尘、高湿的极端工业环境，需要大范围液位监控的场景，FMCW雷达是极佳的选择。

• 瑞士堡盟

  • 采用技术： 共聚焦测量。

  • 核心性能参数： 测量范围非常短（如OM70系列为1毫米），分辨率极高（10纳米），线性度±0.05% F.S.，采样频率最高4千赫兹。光源为白光LED。

  • 应用特点与独特优势： 瑞士堡盟的共聚焦传感器以其纳米级的超高测量精度和分辨率在精密测量领域独树一帜。它适用于对各种表面类型（包括镜面、透明、粗糙）进行测量，且不受物体颜色和材料特性的影响。虽然在铸造行业的液位生产线上应用有限，但对于实验室或研发环节中，需要对熔融金属液面微观结构、极其微小的液位波动进行超高精度分析的场景，共聚焦传感器能提供无与伦比的细节数据。

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

在为铸造行业的高温熔融金属液位测量选择传感器时，我们需要像挑选工具一样，仔细审视每个工具的“特长”和“短板”，确保它能胜任我们最严苛的任务。

需要重点关注的技术指标：

1. 测量精度和分辨率：

   • 实际意义： 精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率是指传感器能识别的最小变化量。在铸造行业，浇注精度和铸件质量很大程度上取决于液位测量的准确性。如果精度不够，液位偏差可能导致产品重量不一致、缺陷甚至溢炉危险。

   • 影响： 高精度和高分辨率意味着能更精细地控制液位，减少误差。

   • 选型建议：

     • 对于连铸结晶器等对液位控制要求极高的场合（毫米级甚至亚毫米级波动），需要选择精度在±0.1% F.S.以内，分辨率达到测量范围的0.01%甚至更高的激光三角测量传感器。

     • 对于大型铁水包或储罐的粗略液位监控，几毫米到厘米级的精度可能就足够，此时激光ToF或FMCW雷达会更具性价比。

2. 测量范围：

   • 实际意义： 传感器能够有效测量的距离范围。

   • 影响： 测量范围过小可能无法覆盖液位的整个变化区间；测量范围过大则可能导致在短距离内牺牲部分精度。

   • 选型建议：

     • 根据炉具或容器的液位实际波动范围来选择。例如，如果液位波动在500毫米以内，激光三角测量传感器可以胜任。

     • 如果液位需要在几米甚至几十米的距离上监测，或者传感器需要安装在远离高温区域的位置，则应优先考虑激光ToF或FMCW雷达。

3. 响应时间/测量频率：

   • 实际意义： 响应时间是传感器从接收到变化到输出结果所需的时间，测量频率是每秒能进行多少次测量。

   • 影响： 快速的响应和高频率能捕捉到液位的动态变化，这对于连续铸造等需要实时反馈的工艺至关重要。如果响应太慢，控制系统可能无法及时调整，导致过冲或滞后。

   • 选型建议：

     • 对于连续铸造、快速浇注等动态过程，应选择响应时间在毫秒级以内，测量频率达到几千赫兹的传感器（如高性能激光三角传感器）。

     • 对于静态或变化缓慢的液位监测，几百毫秒的响应时间可能已经足够。

4. 环境适应性（工作温度、防护等级）：

   • 实际意义： 传感器在恶劣环境中（如高温、粉尘、蒸汽、振动）的稳定工作能力。

   • 影响： 铸造现场环境恶劣，温度高、粉尘重、有水蒸气甚至酸碱腐蚀。不适应环境的传感器会频繁失效，增加维护成本，影响生产。

   • 选型建议：

     • 重点关注传感器的工作温度范围，尤其是有蓝光或UV激光选项的传感器，它们能更好应对高温发光物体。必要时，可考虑额外配置冷却或防护罩。

     • 防护等级至少应达到IP65，最好是IP67或更高，以防范粉尘和水溅。

     • 对于极端恶劣、光学传感器难以胜任的环境（如浓烟、厚重蒸汽），FMCW雷达是更可靠的选择。

5. 抗干扰能力（特别是高温自发光和烟尘）：

   • 实际意义： 传感器在复杂背景光、高温辐射、烟雾和粉尘等干扰下的稳定测量能力。

   • 影响： 熔融金属自身会发出强烈的可见光和红外光，与激光传感器的信号波长可能重叠，导致测量误差。烟雾和粉尘会散射或吸收激光，影响信号强度。

   • 选型建议：

     • 对于高温发光体，优先选择采用短波长（蓝光、UV）激光的传感器。

     • 对于烟雾、粉尘和蒸汽严重的场合，FMCW雷达是最佳选择，因为它利用微波，不易受这些因素影响。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在铸造行业实际应用中，高温熔融金属液位测量面临的挑战往往比理论分析更复杂，需要综合考虑和灵活应对。

1. 问题：高温熔融金属表面强烈的自发光干扰。

   • 原因与影响： 熔融金属处于炽热状态，会发出类似于白炽灯的强烈光线，特别是红外波段的光。这会严重干扰激光位移传感器（尤其是红光激光）接收到的反射信号，导致信号噪声增大，测量数据不稳定甚至失效。

   • 解决建议：

     • 选择短波长激光： 优先选用蓝光（405nm或450nm）或UV激光器。短波长激光的光能量与熔融金属的热辐射光谱峰值错开，可以大幅降低背景光的干扰。

     • 使用光学滤波技术： 传感器内部应配备窄带滤光片，仅允许特定波长的激光反射光通过，阻挡大部分背景热辐射。

     • 智能信号处理算法： 采用先进的实时表面补偿（RTSC）或其他数字滤波算法，从混合信号中提取有效激光信号。

     • 调整安装角度： 避免传感器正对反射光最强的区域，或调整入射角以优化信号接收。

2. 问题：液面烟雾、粉尘和水蒸气遮挡。

   • 原因与影响： 铸造现场常伴有大量的金属氧化烟雾、粉尘颗粒以及冷却水产生的蒸汽，这些介质会散射、吸收或折射激光束，导致有效信号强度衰减，甚至完全丢失，从而无法进行准确测量。

   • 解决建议：

     • 加装气帘或吹扫装置： 在传感器光学窗口前设置气帘，用干净的压缩空气持续吹扫，形成一道“空气墙”，有效隔绝烟雾和粉尘进入测量区域和污染镜头。

     • 定期清洁光学窗口： 即使有吹扫，也应定期检查并清洁传感器光学窗口，确保其透光性。

     • 选用FMCW雷达： 对于烟雾、粉尘和蒸汽极其严重的极端环境，激光传感器可能无法满足要求。此时，FMCW雷达技术是更优的选择，因为它使用微波信号，能有效穿透这些障碍物，提供稳定可靠的测量。

3. 问题：熔融金属液面波动剧烈或表面有浮渣。

   • 原因与影响： 铸造过程中的搅拌、加料、气体吹扫等操作会导致液面剧烈波动。此外，金属液表面可能形成氧化渣或其他浮渣，这些都会影响激光束的反射特性，导致测量值跳动大、不稳定。

   • 解决建议：

     • 多点测量或线激光扫描： 对于液面波动，可以考虑在多个点位进行测量取平均值，或者使用激光线扫描传感器，获取液面轮廓，再通过算法计算出平均液位。

     • 选择合适的测量模式： 传感器通常有不同的滤波或平均模式，选择能够平滑液面波动的模式。

     • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在液面波动相对较小的区域，避免直接受搅拌流影响。

     • 表面处理： 在某些工艺中，可以通过吹氩或添加助熔剂等方式，尽可能减少浮渣的形成，改善液面质量。

4. 问题：传感器长期工作在高温环境下，性能衰减或损坏。

   • 原因与影响： 即使传感器本身耐高温，长期暴露在铸造炉附近的高温辐射和热对流环境下，也可能导致内部电子元件老化加速、光学部件变形，从而影响测量精度和寿命。

   • 解决建议：

     • 加装水冷或风冷套： 为传感器设计专门的水冷或风冷防护套，使其在工作时能保持在安全的温度范围内。

     • 选择耐高温等级更高的传感器： 优先选用设计时就考虑了宽工作温度范围的产品。

     • 优化安装距离： 在满足测量范围和精度的前提下，尽量将传感器安装在远离热源的区域。

     • 定期检测与维护： 定期对传感器进行性能校准和检查，及时发现并更换老化部件。

4. 应用案例分享

• 连铸结晶器液位控制： 在钢水连续铸造过程中，结晶器内的钢水液位必须精确稳定在极窄的范围内（通常±5毫米），以确保铸坯质量和安全生产。激光三角位移传感器因其高精度和快速响应，被广泛用于实时监测结晶器液位，并通过闭环控制系统精确调节钢水流量。

• 铝液保温炉/转运包液位监测： 在铝合金压铸或低压铸造前，需精确控制铝液保温炉或转运包的液位，以确保每次浇注的定量准确，避免溢出和空包。激光ToF传感器因其较远的测量距离和对液面特性的鲁棒性，常用于这些大容量容器的液位粗略控制和报警。

• 电解铝槽液位测量： 电解铝生产过程中，电解槽内的铝液液位需要稳定监测。由于槽内高温、强电磁场以及氟化盐烟雾环境，FMCW雷达传感器因其优异的环境穿透能力和抗干扰特性，成为理想的选择，确保生产过程的连续性和安全性。