一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)及探頭距離設定方法技術方案

本發(fā)明專利技術涉及礦熱爐冶煉生產(chǎn)工藝過程中關鍵參數(shù)測定裝置，具體為一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)及探頭距離設定方法。該系統(tǒng)包括微控制器MCU和PC機，微控制器MCU和PC機連接，其特征在于還包括探頭陣列，探頭陣列包括豎向排列的若干3D探頭，每個3D探頭中都包括傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器，傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器依次連接，每個子控制器都和微控制器MCU連接。本發(fā)明專利技術提出一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)，與單點3D檢測相比，磁場陣列檢測的實時性和精度均大幅提高，后期維護方便，有望對電極端部位置、電弧長度及液面位置等參數(shù)予以有效的判斷，以滿足工程測量的需求。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及礦熱爐冶煉生產(chǎn)工藝過程中電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置等關鍵參數(shù)測定裝置，具體為一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)及探頭距離設定方法。
技術介紹
礦熱爐是通過石墨電極向礦熱爐內(nèi)輸入電能的一種工業(yè)電爐，在冶煉過程中，爐況波動是經(jīng)常性的，不少礦熱爐冶煉現(xiàn)場的操作者主要靠肉眼直接觀察，或用簡單的儀表以及個人經(jīng)驗來間接判斷爐況，這就難以保證冶煉工藝參數(shù)最優(yōu)化，也降低了生產(chǎn)效率，影響冶煉能耗和礦耗等關鍵技術和經(jīng)濟指標。在礦熱爐冶煉過程中，電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置，這三個冶煉參數(shù)是十分關鍵的，而對于這些關鍵參數(shù)的測定，雖然已有諸多的討論和方法，但其中有的是間接計算和推測；有的則僅可粗略測得電極端部位置，而難以得知電弧長度和熔池液面位置。現(xiàn)有一種磁場單點3D檢測系統(tǒng)可粗略測定礦熱爐參數(shù)；磁場單點3D檢測系統(tǒng)由3D探頭、微控制器(MCU)、PC機組成，3D探頭由傳感器(Sensor)、信號放大器(OPA)、低通濾波電路(LPF)以及真有效值轉(zhuǎn)換電路(TRMS)組成，如圖5所示。圖5中，由PC機發(fā)出控制命令，MCU根據(jù)指令采集和處理3D探頭磁場信息，并回傳至PC機。任何一個實時性要求較高的系統(tǒng)，其信息傳輸延遲時間是不可避免也是不容忽略的，分析磁場單點3D檢測系統(tǒng)的單次采樣及處理時間TSP可表述為下式，式中，TSi(i＝1，2，3，4，5)分別為傳感器采集、信號放大、低通濾波、真有效值轉(zhuǎn)換以及微處理器所需的時間。在實際工程問題中，TS1、TS2、TS3及TS5均在毫秒數(shù)量級，而真有效值轉(zhuǎn)換由于采用的是電路積分原理，對輸出精度要求越高，占用的處理時間就越長，一般轉(zhuǎn)換一次達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間TS4≈3～5s。若僅考慮真有效值轉(zhuǎn)換時間TS4，則TSP≈TS4≈3～5s。在磁場單點3D檢測方式中，若要獲取爐內(nèi)的關鍵參數(shù)，需要采集若干點的信息，即每采樣一個點后，需要將探頭移動至下一個點進行采樣，則磁場單點3D檢測系統(tǒng)采樣N個點所需的時間TNS如下式所示，TNS＝N×TSP+(N-1)×TMOV，式中，N：采樣點數(shù)，TMOV：磁場單點3D檢測系統(tǒng)在相鄰采樣點之間的移動時間。在工程實際問題中TMOV≥3s。綜上所述，取TSP(min)≈3s，TMOV(min)≈3s，將此參數(shù)代入上式，可得磁場單點3D檢測系統(tǒng)采樣N個點所需時間的最小值TNS(min)，TNS(min)≈6N-3，由該式可知，采集時間TNS隨采樣點數(shù)的增多而增加。若測量總長度為150cm，采樣空間距離為10cm，可知采樣點數(shù)N＝15，該檢測方式采集周期至少為87s，而此期間，爐況可能已有較大變化，故此檢測方式不能真實地反映爐況。另外，磁場單點3D檢測方法還存在諸多測量誤差，產(chǎn)生誤差的因素主要包括以下幾個方面：(1)由于機械設備抖動等原因，移動過程中很難保證基準線和基準面統(tǒng)一；(2)移動的機械設備難以長期保持采樣點距離均勻；(3)機械式的移動會使測試機構的故障率增加；(4)考慮到測試精度以及后期的維護工作，對移動機械結(jié)構設計的復雜度要求較高；綜上所述，磁場單點3D檢測系統(tǒng)存在著較大的局限性，難以滿足實際工業(yè)現(xiàn)場測量的需求。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術提出一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)及探頭距離設定方法，與單點3D檢測方法相比，陣列傳感檢測系統(tǒng)的實時性和精度均大幅提高，后期維護方便，有望對電極端部位置、電弧長度及液面位置等參數(shù)予以有效的判斷，以滿足工程測量的需求。本專利技術是采用如下的技術方案實現(xiàn)的：一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)，包括微控制器MCU和PC機，微控制器MCU和PC機連接，其特征在于還包括探頭陣列，探頭陣列包括豎向排列的若干3D探頭，每個3D探頭中都包括傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器，傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器依次連接，每個子控制器都和微控制器MCU連接。如上述的一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)的探頭距離設定方法，包括以下步驟：第一步：建立礦熱爐內(nèi)電路模型，流經(jīng)爐內(nèi)電極的電流為電極電流，電極電流經(jīng)電弧區(qū)到達熔池內(nèi)，在熔池液面處形成熔池電流回路，設定熔池電流回路中單一熔池電流直線通路中的熔池電流為I；第二步：設定電極端部在任意平行于熔池液面的平面上投影連線的中垂線為中垂線，選定P1測量原點，P1測量原點位于中垂線上；第三步：以P1測量原點為原點O，在原點O所在的三維坐標z軸上取若干點作為檢測點，離P1測量原點最近的熔池電流直線通路在檢測點上的磁感應強度分量如下式所示：式中，μ0為真空的磁導率，單位為H/m，L為熔池電流直線通路的長度，h為檢測點的高度，R為檢測點到熔池電流直線通路起點或終點的距離，a為P1測量原點到熔池電流直線通路的距離，r為檢測點到熔池電流直線通路的距離；第四步：設定檢測系統(tǒng)中3D探頭的分辨率為δ，當檢測點處的磁感應強度變化量|△B|<δ時，3D探頭已無法識別之，故取|△B|＝δ，中間參數(shù)間距△h的表達式如下式：第五步：根據(jù)中間參數(shù)間距△h的表達式可知，在檢測點中，磁感應強度變化率最大值|B′(h)|max所在的點，對采樣間距的要求最為苛刻，即要求△h的值最小，故檢測點空間采樣間距d應滿足檢測點處的磁感應強度分量隨檢測點高度h的變化率B′(h)如下式所示，由已知參數(shù)值可得到|B′(h)|max，再利用3D探頭的分辨率為δ便可得到△hmin，最后根據(jù)實際情況，設定值小于△hmin的空間采樣間距d，空間采樣間距d即為3D探頭距離。本專利技術提出一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)，與單點3D檢測相比，磁場陣列檢測的實時性和精度均大幅提高，后期維護方便，有望對電極端部位置、電弧長度及液面位置等參數(shù)予以有效的判斷，以滿足工程測量的需求。附圖說明圖1為礦熱爐磁場輻射模型圖。圖2為礦熱爐俯視圖。圖3為電流IAC的磁感應強度分布圖。圖4為B的分布特性及△B與△h的關系圖。圖5為磁場單點3D檢測系統(tǒng)的示意圖。圖6為本專利技術磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)的示意圖。圖7為磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)現(xiàn)場測試示意圖。圖中：1-電極，2-液面，3-磁力線，4-爐壁，5-電極線，6-中垂線，7-爐底，8-磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)。具體實施方式一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)，包括微控制器MCU和PC機，微控制器MCU和PC機連接，還包括探頭陣列，探頭陣列包括豎向排列的若干3D探頭，每個3D探頭中都包括傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器，傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器依次連接，每個子控制器都和微控制器MCU連接。如上述的一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)的探頭距離設定方法，包括以下步驟：第一步：建立礦熱爐內(nèi)電路模型，流經(jīng)爐內(nèi)電極A、B、C的電流分別為電極電流IA、IB、IC，電極電流IA、IB、IC經(jīng)電弧區(qū)到達熔池內(nèi)，在熔池液面處形成熔池電流三角形回路IAC、ICB、IBA，如圖1所示；第二步：根據(jù)電磁場理論，建立礦熱爐磁場輻射模型，設定電極端部在任意平行于熔池液面的平面上投影連線的中垂線為中垂線，該平面上的中心與投影的連線為電極線，選定P1測量原點，P1測量原點位于中垂線上，設定離P1測量原點最近的熔池電流直線通路中電流為IAC，第三步：以P1本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)，包括微控制器MCU和PC機，微控制器MCU和PC機連接，其特征在于還包括探頭陣列，探頭陣列包括豎向排列的若干3D探頭，每個3D探頭中都包括傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器，傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器依次連接，每個子控制器都和微控制器MCU連接。

【技術特征摘要】
1.一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)，包括微控制器MCU和PC機，微控制器MCU和PC機連接，其特征在于還包括探頭陣列，探頭陣列包括豎向排列的若干3D探頭，每個3D探頭中都包括傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器，傳感器、信號放大器、低通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和子控制器依次連接，每個子控制器都和微控制器MCU連接。2.如權利要求1所述的一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)的探頭距離設定方法，其特征在于包括以下步驟：第一步：建立礦熱爐內(nèi)電路模型，流經(jīng)爐內(nèi)電極的電流為電極電流，電極電流經(jīng)電弧區(qū)到達熔池內(nèi)，在熔池液面處形成熔池電流回路，設定熔池電流回路中單一熔池電流直線通路中的熔池電流為I；第二步：設定電極端部在任意平行于熔池液面的平面上投影連線的中垂線為中垂線，選定P1測量原點，P1測量原點位于中垂線上；第三步：以P1測量原點為原點O，在原點O所在的三維坐標z軸上取若干點作為檢測點，離P1測...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉衛(wèi)玲，
申請(專利權)人：劉衛(wèi)玲，常曉明，陳陽，
類型：發(fā)明
國別省市：山西;14