如何在1500℃以上超高温、恶劣环境下，实现连铸熔融金属液位±1毫米高精度与200Hz高速响应的非接触式激光测量？【钢铁冶金】【自动化控制】

1. 高温熔融金属液位的基本结构与技术要求

在钢铁冶金行业中，高温熔融金属液位的测量是一个至关重要的环节，它直接关系到生产过程的稳定、产品质量的控制以及生产安全。这些熔融金属液位主要存在于钢包、中间包、连铸结晶器等关键设备中。

想象一下，钢水或铁水就像是流淌在生产线上的“血液”，而这些容器就是它的“心脏”或“管道”。精确控制这些“血液”的高度（即液位），就像医生监测病人的心跳一样重要。

• 钢包：通常用来盛装刚出炉的钢水，进行精炼处理或转运。这里的液位测量主要关注装载量和转运过程中的波动。

• 中间包：连接钢包和连铸结晶器的缓冲容器，保证钢水连续、稳定地流入结晶器。中间包液位的稳定对连铸过程至关重要，液位过低可能导致卷渣，过高则会溢流，都会严重影响产品质量和生产效率。

• 连铸结晶器：这是将液态钢水凝固成坯料的核心设备。结晶器液位需要被精确控制在非常小的波动范围内（例如±5毫米），因为液位的微小变化都会影响坯壳的生长、铸坯质量，甚至可能导致漏钢事故。

由于这些场合的特殊性，对液位测量的技术要求极为严苛：

• 超高温环境：熔融金属液位表面温度可达1500℃以上，环境温度也极高，这对传感器的耐温性能是巨大挑战。

• 强辐射干扰：高温熔融金属会发出强烈的红外辐射，这种辐射会严重干扰光学传感器，使其难以识别目标。

• 恶劣环境：现场往往伴随着大量的粉尘、蒸汽、烟雾，这些都会衰减激光信号，影响测量精度和稳定性。

• 表面特性复杂：熔融金属液位表面可能存在氧化渣、波动、气泡，甚至呈镜面反射或漫反射，这些不均匀的表面特性都会影响激光的反射效果。

• 高精度与高速度：尤其在连铸过程中，液位变化快速且需要微米级的控制，要求传感器具备高精度（毫米级甚至亚毫米级）和高响应速度（毫秒级）。

• 非接触性：考虑到高温和腐蚀性，必须采用非接触式测量，以保护传感器并确保操作安全。

2. 针对高温熔融金属液位的相关技术标准简介

针对钢铁冶金行业中高温熔融金属液位的测量，虽然没有一个普适的单一国际标准，但通常会基于行业最佳实践和特定应用场景，对以下几个关键参数进行定义和评价：

• 液位高度（Liquid Level Height）：指从某个基准点（如容器底部、边缘或某个固定参考平面）到熔融金属液位表面的垂直距离。其定义通常会考虑到测量点的选择，如是测量中心点还是边缘点，以及测量区域的大小。评价方法是，在实际生产中，传感器需要输出实时的液位高度数值，并通过与预设安全或目标液位进行对比，判断是否符合生产要求。

• 测量精度（Measurement Accuracy）：表示测量结果与真实液位之间的最大允许偏差。例如，在钢包或中间包中可能允许±5毫米的偏差，但在连铸结晶器中可能要求±1毫米甚至更高的精度。评价方法通常是通过与已知高度的标准尺或更高精度的辅助测量工具进行比对，计算多次测量结果的平均偏差和最大偏差。

• 重复精度（Repeatability）：指传感器在相同测量条件下，对同一稳定液位进行多次测量时，结果之间的一致性程度。重复精度高意味着传感器输出稳定，受随机误差影响小。评价方法是多次测量同一稳定液位，计算其标准差或最大差值。

• 响应速度（Response Speed）：也称为测量频率，指传感器每秒能完成多少次有效测量并输出结果。对于快速变化的液位，如结晶器液位，高响应速度（如200Hz甚至更高）至关重要。评价方法是传感器从接收到液位变化到输出相应测量值所需的时间，或者单位时间内输出测量值的数量。

• 液位波动度（Liquid Level Fluctuation）：指在一定时间内，液位高度的最大变化范围。在连铸过程中，液位波动度是衡量铸坯质量和过程稳定性的关键指标。评价方法是在一段时间内连续监测液位高度，记录其最大值和最小值，并计算两者之差。

• 环境适应性：包括传感器在高温、粉尘、水蒸气、强光照等恶劣工况下的长期稳定工作能力。这通常通过实际工况下的长期运行数据来评估，包括故障率、维护频率以及测量值的稳定性。

3. 实时监测/检测技术方法

高温熔融金属液位的非接触式精准测量，需要借助特定的激光测距技术。市面上存在多种技术方案，各有特点和适用范围。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光相位差法（Phase Shift Method）

这种方法的核心思想是，激光测距传感器发射一束经过调制的连续激光信号，当激光束到达被测物体表面并反射回来后，接收器会捕捉到这束反射光。由于光传播需要时间，反射光相对于发射光会产生一个相位延迟。传感器通过精确测量这个相位延迟（或相位差），就能计算出激光往返的距离。

想象一下，你站在河边，对着对岸喊话。声音传到对岸再反射回来需要时间。如果你的喊话是连续的、有节奏的（比如“嗒哒，嗒哒……”），那么回声的“嗒哒”节奏就会比你喊的节奏慢一点点，这个“慢一点点”就是相位差。激光相位差测距就是通过测量这个“慢一点点”来计算距离。

物理基础与公式：传感器发射频率为 $f$ 的调制激光，光速为 $c$。激光从发射到反射回来的总时间为 $t$。传感器与目标物体的距离为 $D$。那么光走过的总距离是 $2D = c cdot t$。同时，调制激光的相位差 $Delta Phi$ 与时间 $t$ 存在关系：$Delta Phi = 2 pi f cdot t$将 $t = 2D / c$ 代入，得到：$Delta Phi = 2 pi f cdot (2D / c)$因此，距离 $D$ 可以通过相位差计算：$c$1其中，$Delta Phi$ 是测量到的相位差， $c$ 是光速，$f$ 是调制频率。通过精确测量相位差，就能得出精确的距离。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常在中长距离表现出色，从几厘米到几百米甚至上千米。* 精度/分辨率：精度较高，典型范围可达±1毫米至±10毫米。* 响应速度：快，可达几十赫兹到数百赫兹。* 光源：通常使用半导体激光器。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度：尤其在中长距离测量中，相位差法能提供较高的测量精度，这对于熔融金属液位的精确控制至关重要。 * 高重复性：测量结果稳定可靠。 * 抗环境光干扰能力强：通过滤波等技术，能够有效抑制环境光对测量的影响，即使在户外或强太阳辐射下也能正常工作。 * 适用于高温物体：只要能接收到足够的反射信号，就可以测量高温物体的距离。 * 非接触测量：避免了与高温、腐蚀性液位的直接接触，提高了安全性和设备寿命。* 局限性： * 对目标表面反射率有要求：虽然对深色表面也有适应性，但如果反射率过低或完全镜面反射（导致光束偏离），可能会影响测量。 * 成本相对较高：相较于一些简单的测量方法，相位差测距传感器由于其技术复杂性，成本通常较高。 * 存在“模糊”区：由于相位是周期性的，在极长距离下可能需要结合其他方法（如飞行时间）来解决多周期模糊问题。* 适用场景：非常适合钢铁冶金行业中对高温熔融金属液位进行中长距离、高精度、高速度的实时非接触式测量，如钢包、中间包、连铸结晶器液位测量。

3.1.2 激光飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）

这种方法，顾名思义，是测量激光从传感器发射出去，到达目标表面，再反射回传感器所需的时间。由于光速是已知常数，通过简单的物理公式就可以计算出距离。

想象一下，你用秒表计时，从你按下按钮发出一束光（或声音），到它碰到远处的墙壁并反弹回来被你接收到时，你再按下秒表停止计时。这段时间就是光（或声音）往返的时间，知道了这个时间，再乘以光速，就是光走的来回距离。

物理基础与公式：激光从发射到反射回来的总时间为 $t$，光速为 $c$。传感器与目标物体的距离为 $D$。$2D = c cdot t$$c$9其中，$t$ 是精确测量到的激光脉冲往返时间，$c$ 是光速。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：从几毫米到几百米，甚至更远。* 精度/分辨率：通常在毫米级到厘米级，高精度型号可达亚毫米级。* 响应速度：从几十赫兹到几百赫兹。* 光源：通常使用脉冲激光器。

技术方案的优缺点：* 优点： * 测量范围广：适用于从近距离到远距离的广泛应用。 * 对表面特性适应性强：不受物体颜色、反射率或环境光的影响较小，因为主要依赖接收到的能量和时间，而不是光斑的位置。 * 结构相对坚固：易于在严苛的工业环境中使用。* 局限性： * 高精度要求下成本较高：要在长距离实现高精度（如毫米级），需要非常精确的时间测量技术，这会增加传感器的复杂性和成本。 * 受环境干扰：虽然抗环境光能力强，但空气中的粉尘、水蒸气等仍然会衰减激光信号，影响测量。* 适用场景：适用于中长距离、对精度要求在毫米级以上，且环境比较恶劣的液位或距离测量。

3.1.3 激光三角测量法（Laser Triangulation Method）

这种方法通过发射一束激光到目标物体表面，然后使用一个接收器（如PSD或CMOS传感器）从一个与发射器有固定夹角的角度来接收反射光。当物体距离变化时，反射光斑在接收器上的位置会发生移动。根据几何三角原理，通过测量光斑在接收器上的位置变化，就可以精确计算出物体与传感器的距离。

想象一下，你用手电筒照亮一个物体，然后你从另一个角度用相机拍照。如果物体远了，手电筒的光斑在相机画面中的位置会往一个方向移动；如果物体近了，光斑会往另一个方向移动。通过计算光斑移动了多少，就能知道物体离你多远。

物理基础与公式：假设激光发射器和接收器之间有一个固定的基线距离 $t$2，接收器与基线之间有一个固定角度 $t$3。当激光照射到距离 $D$ 的物体表面时，反射光斑在接收器上的位置 $t$5 会发生变化。通过简单的三角几何关系，可以推导出距离 $D$ 的计算公式：$t$7 (其中L为接收器焦距，此公式简化表示)一个更通俗的简化表示可以这样理解：$t$8其中 $D$ 是距离，$t$2 是基线长度，$D$1 是反射光线与基线的夹角。通过测量光斑在探测器上的位置变化，可以推算出角度 $D$1 的变化，进而计算出 $D$。

核心性能参数典型范围：* 测量范围：通常在短距离表现出色，从几毫米到几百毫米。* 精度/分辨率：非常高，可达微米级甚至亚微米级。* 响应速度：快，可达毫秒级。* 光源：通常使用红色半导体激光。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高的检测精度和分辨率：适用于精密位移、厚度、高度测量。 * 检测速度快：适合高速生产线的在线测量。 * 对不同颜色和材质表面适应性强：只要能反射激光，即可测量。* 局限性： * 测量距离短：不适用于长距离测量，在冶金行业高温熔融金属液位测量中，通常需要保持较远距离以保护传感器。 * 对入射角和反射角敏感：如果目标表面倾斜度过大或发生镜面反射，可能导致光斑无法被接收器捕捉。 * 受环境光干扰：环境光可能会对光斑识别造成影响，尤其在强辐射的熔融金属表面。* 适用场景：主要适用于需要极高精度和快速响应的短距离位移测量，不适合直接用于钢铁冶金行业中超高温、远距离的熔融金属液位测量，除非有特殊的安装方式或防护措施。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下对比了在激光测距领域具有代表性的几个品牌，它们在高温熔融金属液位测量方面提供不同的技术方案或侧重点。

1. 日本基恩士* 采用技术：主要使用激光三角测量法。该方法通过发射激光束，接收反射光斑在PSD或CMOS传感器上的位置变化来计算距离。* 核心参数： * 检测距离：25毫米至200毫米（例如LR-X100）。 * 检测分辨率：0.01毫米至0.1毫米。 * 重复精度：10微米（例如LR-X100）。 * 响应时间：最快1毫秒。* 应用特点和独特优势：以其极高的检测速度和精度著称，适用于在线高速生产线的精密位移、厚度、高度测量。对不同颜色和材质表面的适应性强。然而，由于其短距离测量的特性，在高温熔融金属液位测量中，如果需要远距离非接触，则可能不是首选。

2. 英国真尚有* 采用技术：根据其提供的精度（±1毫米）、长测量范围（0.05米至500米）和高刷新率（高达250Hz）特点，最可能采用的是激光相位差法，或者是一种结合了飞行时间和相位差的混合技术。* 核心参数： * 测量范围：0.05米至500米。 * 最高精度：±1毫米。 * 测量速度：高达250Hz。 * 可测量高温物体表面距离，实测最高表面温度：1550℃。 * 扩展环境温度范围：-40℃至+60℃，可配备冷却外壳用于更高环境温度。* 应用特点和独特优势：在高温环境适应性方面表现突出，实测可测量1550℃高温物体表面，且能保证精度，非常契合钢铁冶金行业的需求。长距离测量和高精度兼顾，在保证安全距离的同时提供准确液位数据。此外，其坚固的金属外壳和IP65防护等级，以及多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB），使其易于集成和在恶劣工况下稳定运行。

3. 德国西克* 采用技术：主要采用激光飞行时间法（TOF）。通过发射短促激光脉冲并计时其往返时间来计算距离。* 核心参数： * 测量范围：50毫米至1200毫米。 * 重复精度：最小0.5微米（对于特定型号和测量范围）。 * 线性度：±0.03%（测量范围）。 * 响应时间：最低1毫秒。* 应用特点和独特优势：测量范围广，对各种表面均有良好适应性，抗环境干扰能力强。结构坚固，适用于严苛的工业环境。其TOF原理使其在一定程度上不受表面特性或环境光的影响，为中长距离的稳定测量提供了可靠方案。

4. 瑞士徕卡* 采用技术：采用连续调制的激光束，通过测量反射信号与发射信号之间的相位差来确定距离，即激光相位差法。* 核心参数： * 测量范围：0.05米至150米。 * 精度：±1.0毫米。 * 重复精度：±0.5毫米。 * 测量频率：最高250 Hz。* 应用特点和独特优势：测量精度高，尤其适用于中长距离的工业测量。其坚固耐用的设计使其能在恶劣的工业环境中可靠工作，广泛应用于自动化、物料搬运和过程控制等领域。在精度、速度和测量范围之间提供了良好的平衡。

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

选择合适的激光测距传感器，需要像为特定任务挑选专用工具一样，仔细审视其各项“性能参数”，确保它能胜任钢铁冶金行业中高温熔融金属液位的测量任务。

• 测量范围：

  • 实际意义：指传感器能够测量的最短距离到最远距离。在冶金现场，传感器通常需要安装在远离高温源的位置，以保护设备和人员安全。

  • 影响：如果测量范围不足，传感器可能无法安装在安全距离，或者无法覆盖液位可能出现的全部高度变化。

  • 选型建议：根据实际工况下的安装位置和液位变化范围，预留足够的余量。例如，若需安装在炉顶或行车上，且液位变化幅度较大，应选择测量范围在数十米到数百米的产品，例如测量范围可达500米的英国真尚有LCJ系列这类长距离传感器。

• 测量精度与重复精度：

  • 实际意义：测量精度是测量值与真实值之间的差异，比如±1毫米意味着测量结果与真实值最多相差1毫米；重复精度是多次测量同一稳定目标的读数差异，反映传感器的稳定性。

  • 影响：精度不足会导致液位控制不准，比如连铸结晶器液位波动过大，直接影响铸坯质量，甚至引发安全事故。

  • 选型建议：连铸结晶器等精密控制环节，建议选择精度较高的产品。对于钢包、中间包等允许稍大波动的场景，可根据控制要求适当放宽。同时，重复精度也应足够高，确保测量数据的稳定性和可靠性。例如，可以选择测量精度为±1mm的英国真尚有LCJ系列。

• 响应速度（测量频率）：

  • 实际意义：传感器每秒能进行多少次有效测量。

  • 影响：液位变化往往很快，特别是熔融金属表面可能因搅拌、加料等产生剧烈波动。低响应速度可能导致无法捕捉到液位的快速变化，造成控制滞后或误判。

  • 选型建议：对于快速变化的液位，建议选择响应速度在100Hz以上的传感器，以确保实时性和捕捉瞬时变化。英国真尚有LCJ系列或瑞士徕卡的产品，响应速度可达250Hz。

• 高温适应性（被测物表面温度与环境温度）：

  • 实际意义：传感器能够承受的被测物表面最高温度和自身工作环境的最高温度。

  • 影响：这是冶金行业最关键的指标之一。如果传感器不耐高温，可能会在高温辐射下损坏，或测量精度严重下降。

  • 选型建议：必须选择明确标明可测量1500℃以上高温物体的产品，同时，考虑到现场环境温度，需要有宽广的工作温度范围，并应考虑配备专业的冷却保护装置（如冷却外壳、水冷/风冷系统），以确保传感器本体在允许的环境温度下稳定运行。例如，英国真尚有LCJ系列实测最高表面温度可达1550℃。

• 抗干扰能力：

  • 实际意义：传感器抵抗粉尘、水蒸气、烟雾、强环境光（如太阳辐射、炉内光）等恶劣环境因素影响的能力。

  • 影响：这些干扰物会衰减激光信号，导致测量不稳定、误差大，甚至无法测量。

  • 选型建议：优先选择那些宣称在恶劣环境（如深色表面、太阳辐射下）仍能稳定测量的产品，并可配合加装吹扫（气幕）装置，利用压缩空气清洁传感器镜头，防止粉尘和蒸汽附着。

• 防护等级（IP等级）：

  • 实际意义：衡量传感器防尘和防水（或防液体喷溅）能力的国际标准。

  • 影响：冶金现场粉尘多、可能存在水蒸气或冷却水喷溅，低防护等级的传感器容易因进水或进尘而损坏。

  • 选型建议：至少选择IP65等级或更高防护等级的产品，以应对现场的恶劣工况。例如，英国真尚有LCJ系列防护等级为IP65。

• 接口类型：

  • 实际意义：传感器与上位机或PLC（可编程逻辑控制器）进行数据通信的方式。

  • 影响：接口不匹配会增加系统集成的难度和成本。

  • 选型建议：确保传感器支持现场控制系统常用的接口，如RS232、RS485、RS422、SSI、USB或4-20mA模拟输出。英国真尚有LCJ系列支持多种接口。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的激光测距传感器，在钢铁冶金行业的实际应用中，仍然可能遇到一些挑战。

• 高温辐射干扰

  • 原因和影响：熔融金属表面发出强烈的红外辐射，这些辐射光可能会被传感器接收器误判为激光反射信号，导致测量误差增大或数据不稳定。

  • 解决建议：

    • 光学滤波：选择带有窄带光学滤波器的传感器，使其只接收与发射激光波长一致的光，有效滤除其他波段的背景辐射。

    • 传感器选型：优先选择抗强辐射能力强的传感器，如英国真尚有LCJ系列，其在设计时已考虑此类工况。

    • 安装优化：尽可能减少传感器与辐射源的直接对视时间或角度。

    • 环境防护：加装遮光罩或使用冷却外壳，物理隔离部分热辐射。

• 粉尘、蒸汽和烟雾遮挡

  • 原因和影响：冶金生产过程中产生的粉尘、蒸汽和烟雾会悬浮在空气中，衰减激光信号的强度，导致测量距离缩短、数据跳变或完全无法测量。

  • 解决建议：

    • 吹扫系统：在传感器镜头前加装空气吹扫系统（气帘或气刀），利用洁净干燥的压缩空气在镜头表面形成一层气幕，有效阻止粉尘和蒸汽附着或进入光路。

    • 传感器功率：选择发射功率较高、抗衰减能力更强的传感器。

    • 安装位置：尽量选择粉尘、蒸汽较少的区域进行安装，或安装在风流上游。

• 熔融金属表面波动与反射特性不均

  • 原因和影响：熔融金属表面可能因液流、气泡、加渣、氧化层等因素而剧烈波动，反射特性也可能从漫反射（如厚氧化层）到镜面反射（如纯净钢水）之间变化，这会导致激光信号强度不稳定，甚至反射光束偏离接收器。

  • 解决建议：

    • 高速采样与滤波算法：选择响应速度快的传感器，结合内部的智能滤波算法，对瞬时波动进行平均处理，获取稳定的液位数据。

    • 多点测量：如果条件允许，可考虑使用多个传感器从不同角度或位置进行测量，取平均值或选择最可靠的数据。

    • 优化安装角度：调整传感器安装角度，避免因镜面反射导致激光偏离。

• 传感器镜片污染

  • 原因和影响：长期在恶劣环境下运行，传感器的光学镜片可能会被粉尘、油污、飞溅物等污染，影响激光的发射和接收，降低测量精度和稳定性。

  • 解决建议：

    • 定期清洁：制定严格的传感器清洁维护计划，使用专业的光学清洁剂和工具定期擦拭镜片。

    • 防护措施：除了吹扫系统，还可考虑加装易于更换的保护玻璃或设计防尘罩。

• 安装限制与振动

  • 原因和影响：现场空间有限，可能无法找到理想的安装位置；设备运行产生的振动也可能影响传感器的稳定性。

  • 解决建议：

    • 灵活的安装支架：设计可调节、减振的安装支架，确保传感器稳定且光路对准。

    • 远程测量：利用长距离传感器的优势，在距离远且振动小的位置进行测量。

4. 应用案例分享

• 钢包液位测量：在钢水从转炉或电炉出钢后，通过激光测距传感器实时监测钢包内钢水液位，辅助控制钢水装载量，确保转运和精炼过程的顺利进行。

• 中间包液位控制：在连铸线上，激光传感器精确测量中间包内钢水液位，实现与钢包出流、结晶器流入的联动控制，保持液位恒定，防止卷渣或溢流，显著提升铸坯质量。

• 连铸结晶器液位检测：这是对精度和速度要求最高的应用场景。激光测距传感器对结晶器液位进行高频、高精度监测，反馈给液位自动控制系统，使液位波动控制在毫米级范围内，保障铸坯表面质量和防止漏钢事故。