面对1600℃高温与烟尘干扰，如何实现连铸钢水液位±2mm高精度非接触实时监测？【冶金自动化】

1. 钢水液位的基本特征与测量要求

在钢铁冶炼的各个环节，如转炉、电炉、精炼炉、钢包和连铸结晶器中，钢水液位的精确控制至关重要。钢水是一种极具挑战性的被测介质，它具有以下鲜明的特点：

• 超高温度： 钢水温度通常高达1500℃至1650℃，远超一般传感器的耐受极限。这意味着测量设备必须是非接触式的，或者其接触部分必须采用特殊耐高温材料并配备高效冷却系统。

• 复杂环境： 钢水表面往往覆盖着一层高温浮渣，同时伴随大量的红色烟雾、粉尘和水蒸气，炉膛内还存在强烈的热辐射和电磁干扰。这些都会严重影响测量信号的传输和接收。

• 剧烈波动： 在加料、吹氧、搅拌或出钢等操作过程中，钢水液位可能发生快速且剧烈的波动，对测量设备的响应速度提出了高要求。

• 腐蚀性： 高温环境下的烟气和粉尘具有一定的腐蚀性，对设备的防护等级和材料选择提出了挑战。

面对这些挑战，对钢水液位测量的技术要求也变得非常严格：

• 非接触式测量： 这是首要原则，避免设备与高温钢水直接接触，确保人员和设备安全。

• 高精度： 冶炼过程对液位控制精度要求高，通常需要达到毫米级（如±2mm），以确保产品质量和工艺稳定。例如，在连铸过程中，结晶器液位波动过大可能导致铸坯缺陷。

• 高可靠性与稳定性： 设备必须能在恶劣环境下长期稳定运行，减少故障率和维护成本。

• 快速响应： 能够实时捕捉液位变化，为自动化控制系统提供及时准确的数据。

• 抗干扰能力： 有效抑制高温烟雾、粉尘、水蒸气、强辐射和电磁干扰对测量结果的影响。

• 环境适应性： 传感器本体及其附件（如冷却装置、防护罩）需能承受周围环境的温度、粉尘和振动。

2. 钢水液位监测的相关技术指标

在选择钢水液位监测设备时，需要关注一系列关键技术参数，它们共同决定了设备在实际应用中的性能表现。

• 测量范围： 指的是传感器能够有效测量到的最小和最大距离。在钢水冶炼中，这需要考虑传感器安装位置到钢水液面的垂直距离，以及钢水在炉内可能出现的最低和最高液位。如果测量范围不足，可能导致某些工况下无法监测或超出量程。

• 测量精度： 这是衡量测量设备优劣的核心指标，表示测量结果与真实液位之间的最大允许误差。例如，如果精度要求是±2mm，这意味着在任何测量点，设备给出的读数与实际液位之差不能超过2毫米。对于钢水冶炼，高精度是保障产品质量、优化工艺流程的基础。

• 分辨率： 传感器能够识别的最小液位变化量。好比一把尺子上的最小刻度，分辨率越高，传感器就能捕捉到更细微的液位波动，这对于需要精细控制的冶炼过程尤其重要。

• 响应时间： 指的是传感器从检测到液位变化到输出相应测量信号所需的时间。由于钢水液位可能快速波动，短的响应时间（例如，每秒测量数百次）能确保系统实时掌握液位动态，从而进行快速调整，防止生产事故。

• 环境适应性： 描述了传感器在特定环境条件（如极高或极低温度、潮湿、粉尘、腐蚀性气体、强振动或电磁场）下保持正常工作状态的能力。对于钢铁冶炼这种极端环境，传感器的耐高温性能、防尘防烟雾能力以及抗电磁干扰能力是选择的关键。

• 防护等级： 通常用IP（Ingress Protection）等级表示，如IP65或IP67。第一个数字表示防尘能力，第二个数字表示防水能力。在粉尘和水汽弥漫的冶炼车间，高防护等级能有效保护传感器内部元件，延长其使用寿命。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在高温烟雾环境下稳定测量钢水液位，目前行业内有多种成熟的技术方案，它们各有特点和适用范围。

• 激光测距技术 (Time-of-Flight)

  激光测距技术，特别是采用“时间飞行法”（Time-of-Flight, ToF）的原理，在钢铁冶炼的非接触式高精度液位测量中展现出独特的优势。想象一下，你对着一个远处的物体喊话，然后计时从你喊出声到听到回声的时间，再结合声音的速度，就能估算出物体有多远。激光测距的原理与之类似，只不过我们用的是光。

  具体工作原理和物理基础： 传感器内部的激光器会发射一个极其短暂且能量集中的激光脉冲（就像一个瞬间闪亮的微型手电筒）。这个激光脉冲以光速（c）向钢水表面传播，一旦接触到钢水表面，部分光线会被反射回来，回到传感器内部的接收器。传感器的高速计时器会精确记录从激光发射到接收到反射光脉冲的整个“飞行时间”（t）。

  根据物理学原理，光在真空中的传播速度是一个常数（约3 x 10^8 米/秒）。那么，激光从传感器到钢水表面的单程距离（D）就可以通过以下公式计算：

  D = (c * t) / 2

  这里的除以2是因为测量的是往返时间。通过实时、连续地测量这个距离，我们就能得到钢水液位的变化情况。

  核心性能参数的典型范围： 这种技术通常能实现0.05米到数百米的测量范围，优质的系统测量精度可达±1mm。由于激光脉冲的发射和接收速度极快，响应时间也非常短，可达250Hz，能够实时捕捉钢水液位的快速波动。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高分辨率： 激光波长短，方向性好，测量精度极高，可以达到毫米级，甚至亚毫米级。 * 非接触式： 避免了与高温钢水的直接接触，确保了设备和人员的安全，也减少了探头磨损和腐蚀问题。 * 快速响应： 光速传播使得测量速度极快，能够实时监测快速变化的液位。 * 抗电磁干扰： 激光属于光学测量，基本不受冶炼现场强电磁场的干扰。 * 测量高温表面： 优秀的激光传感器能够直接测量最高温度达1550°C甚至更高的物体表面，这正是钢水冶炼所需要的。* 局限性： * 环境敏感性： 激光束对测量路径上的烟雾、粉尘、水蒸气非常敏感。这些颗粒物会散射或吸收激光，导致信号衰减，影响测量稳定性和精度。这就像在浓雾中，手电筒的光线会变得模糊不清。 * 清洁维护： 传感器的光学窗口容易被粉尘或油污覆盖，需要定期清洁或加装吹扫装置来保持光路的清晰。 * 成本考量： 高性能的激光测距传感器及其配套的冷却、吹扫系统，初期投资成本相对较高。* 适用场景： 对精度和响应速度有极高要求，且能通过空气吹扫等措施有效维持测量光路清晰的钢水液位监测，如连铸结晶器液位、钢包液位等。

• 调频连续波 (FMCW) 雷达技术

  这是一种非接触式的雷达液位测量技术，工作原理类似于蝙蝠的回声定位。

  具体工作原理和物理基础： 传感器发射的不是单一频率的微波，而是频率在很小范围内连续变化的微波信号（就像一个不断变调的哨子）。当这些微波信号遇到液体表面时被反射回来。传感器会接收这个反射信号，并测量反射信号的频率与当前发射信号的频率之间的差异（频率差）。由于发射信号的频率是线性变化的，频率差就与微波的往返时间成正比，进而与距离成正比。

  核心性能参数的典型范围： 测量范围通常在0.1米到40米左右，精度一般在±3毫米左右。过程温度可承受标准-40°C至+200°C，通过特殊冷却装置可达到更高。

  技术方案的优缺点：* 优点： 78 GHz等高频雷达波束窄且能量集中，具有优异的穿透能力，受介质蒸汽、泡沫、湍流、粉尘等工况影响小，非常适合冶炼现场的恶劣环境。非接触式测量，无运动部件，维护成本低，寿命长。* 局限性： 对安装角度有一定要求，安装和调试相对复杂。* 成本考量： 通常成本较高。* 适用场景： 存在大量蒸汽、泡沫、湍流，或液位波动剧烈的复杂高温介质。

• 导波雷达 (GWR) 技术

  导波雷达是一种部分接触式的液位测量技术，它将微波信号沿着一个物理探杆或缆绳引导。

  具体工作原理和物理基础： 传感器通过沿探杆（例如单杆、双杆或同轴缆）发送低能量的微波脉冲。当这些微波脉冲到达液体表面时，由于介电常数的突然变化，部分能量会被反射回变送器。传感器通过测量微波脉冲从发射到接收的“时间飞行”（ToF）来计算液位高度。

  核心性能参数的典型范围： 测量范围最高可达50米（取决于探杆类型），精度通常在±2毫米左右。过程温度范围广，可达-196°C至+450°C（取决于探杆材质和密封件）。

  技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度高，稳定性强，由于微波能量沿探杆传播，受介质介电常数、密度变化、蒸汽和泡沫等环境因素的影响较小。* 局限性： 探杆需要浸入液体中，是接触式测量。在高温钢水环境中，探杆材质的耐高温和抗腐蚀性是巨大挑战，且探杆可能被高温液体腐蚀、磨损或结垢，需要定期维护和更换。不适用于有强烈搅拌或内部结构复杂（易缠绕探杆）的容器。* 成本考量： 探杆材料成本高，后期维护费用也较高。* 适用场景： 对精度要求高，但介质相对稳定、探杆可承受高温腐蚀且易于维护的高温高压场合，或一些特殊介质（如高粘度、腐蚀性液体）液位测量。

• 静压式液位测量技术

  静压式液位测量是一种非常成熟且广泛应用的技术，它利用液体自身的重量来测量液位。

  具体工作原理和物理基础： 变送器通过测量液体上方的压力和液位下方的总压力之间的差值来确定液位高度。液体的静压与其液位高度及其密度成正比。就像你潜入水下越深，感受到的水压越大一样。

  ΔP = ρ * g * H

  其中，ΔP 是压力差，ρ 是液体密度，g 是重力加速度，H 是液位高度。

  对于高温液体，传感器通常会配备远传隔膜密封系统。这套系统通过一根毛细管将高温液体的静压传递到远离高温区域的变送器内部压力传感器。隔膜密封件直接接触高温液体，而敏感的电子元件则得到了有效保护。

  核心性能参数的典型范围： 测量范围可达100米水柱，精度通常在±0.075% (参考量程)左右。过程温度可达-40°C至+400°C（取决于隔膜密封件和填充液）。

  技术方案的优缺点：* 优点： 测量原理成熟可靠，精度高（尤其在液体密度已知且稳定的情况下）。远传隔膜密封设计能有效隔离高温、高压、腐蚀性介质，保护传感器本体。* 局限性： 测量结果会受到液体密度变化的影响，如果钢水密度发生变化，需要进行补偿。隔膜密封件是接触液体部分，易受高温腐蚀和粘附，需要定期检查。响应速度相对较慢，不适合测量快速变化的液位。* 成本考量： 整体成本中等，但远传隔膜密封系统的维护需要投入。* 适用场景： 液体密度相对稳定，对响应速度要求不高，但对可靠性和长期稳定性有较高要求的高温、高压、腐蚀性环境。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了几家在高温液体位置检测领域表现优秀，且采用不同技术原理的国际品牌进行对比。

• 德国西门子 (采用调频连续波雷达技术) 德国西门子在工业自动化领域享有盛誉。其雷达液位计利用78 GHz高频窄波束雷达技术，能在极度恶劣的蒸汽、泡沫、湍流等环境中提供可靠的非接触式液位测量。这款设备以其强大的抗干扰能力和免维护特性受到用户的青睐，测量范围最高可达40米，精度±3毫米，过程温度在标准条件下可达+200°C，通过冷却可支持更高温度。它安装调试简便，是处理复杂高温介质的理想选择。

• 英国真尚有 (采用激光测距技术) 英国真尚有专注于高精度激光测距传感器。其LCJ系列产品采用先进的激光技术，能够实现非接触式的高精度距离测量，特别适合高温钢水液位监测。这款传感器实测可测量最高表面温度达1550℃的物体，精度达到±1mm，测量范围从0.05米到500米，响应速度高达250Hz。它拥有坚固的IP65金属外壳，可在-40℃至+60℃的环境温度下正常工作，并可配备冷却外壳以应对更高的环境温度，配备多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB），以及高精度模拟输出（0.1%），和两个可编程数字输出（DO1和DO2），是需要极高精度和快速响应的冶金环境的有力竞争者。

• 美国艾默生 (采用导波雷达技术) 美国艾默生作为过程自动化领域的全球领导者，其导波雷达液位计在高温液体测量方面表现出色。该系列产品通过沿探杆发送微波脉冲来测量液位，具有极高的测量精度和稳定性，几乎不受介质特性（如介电常数、密度变化）、蒸汽或泡沫的影响。测量范围最高可达50米，精度±2毫米，过程温度可承受-196°C至+450°C。它提供多种探杆配置，适用于各种高温高压、粘稠或腐蚀性介质，并具备先进的诊断功能。

• 瑞士恩德斯豪斯 (采用静压式液位测量技术) 瑞士恩德斯豪斯是全球领先的测量技术供应商。其差压变送器常与远传隔膜密封系统配合使用，基于静压原理测量液位。这种方案的优势在于测量原理成熟可靠，精度高（可达±0.075%参考量程），并通过远传隔膜有效隔离了高温、高压、腐蚀性介质对传感器本体的直接影响。测量范围最高可达100米水柱，过程温度可达+400°C。尽管是接触式测量，但其稳定性和对恶劣工况的适应性使其在许多高温工业应用中占据一席之地。

（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计是一个综合考量各项指标和实际工况的过程。以下是几个关键的技术指标及其选型建议：

1. 测量精度与稳定性：

   • 实际意义： ±2mm的精度要求意味着你对液位控制的精细程度要求非常高。稳定性则确保测量结果不会频繁跳变或漂移。

   • 影响： 精度不足可能导致钢水过浇、欠浇，影响产品质量；稳定性差则会引起控制系统误动作，甚至生产事故。

   • 选型建议： 对于±2mm的精度要求，激光液位计和导波雷达通常能满足。但激光受烟雾粉尘影响大，需要额外防护；导波雷达则需评估探杆在钢水中的耐用性。调频连续波雷达的精度可能略逊一筹（±3mm）。静压式虽然精度高，但受密度影响且响应慢，可能不适合快速变化的钢水液位。

2. 环境适应性（高温、烟雾、粉尘、蒸汽、振动）：

   • 实际意义： 传感器能否在钢水冶炼的极端环境下“活下来”并“活得好”。

   • 影响： 环境适应性差会导致设备频繁故障、测量漂移、寿命缩短，甚至完全失效。

   • 选型建议：

     • 高温： 传感器本体必须远离高温，或配备高效的冷却系统（如水冷、风冷）。英国真尚有LCJ系列产品虽能测量高达1550℃的物体表面温度，但其传感器本体也需要冷却外壳来适应高环境温度。德国西门子和美国艾默生的雷达产品也强调了冷却装置的重要性。

     • 烟雾、粉尘、蒸汽： 这是激光液位计最大的挑战。必须配备强大的空气吹扫装置，在传感器光学窗口前形成气幕，将烟雾和粉尘阻隔开。否则，激光信号会严重衰减。调频连续波雷达在这方面表现优异，其微波穿透力强，受这些因素影响小。导波雷达和静压式因原理不同，受外部烟雾粉尘影响较小。

     • 振动与电磁干扰： 冶炼现场振动大，所有传感器应选择结构坚固、抗振能力强的产品。同时，强电磁干扰对雷达和激光的影响较小，但对电路板或信号线防护不足的设备仍可能造成影响，需确保良好的接地和屏蔽。

3. 响应速度：

   • 实际意义： 传感器对液位变化的捕捉能力。

   • 影响： 响应速度慢会导致滞后控制，无法及时调整工艺参数，可能引发液位失控。

   • 选型建议： 钢水液位变化快，要求高响应速度。激光液位计（可达250Hz）和调频连续波雷达通常能满足实时监测需求。静压式和导波雷达的响应速度相对较慢，可能无法应对极快的液位波动。

4. 维护成本和寿命：

   • 实际意义： 设备的长期运行成本和可靠性。

   • 影响： 维护成本高会增加运营负担，寿命短则需要频繁更换，影响生产连续性。

   • 选型建议： 非接触式传感器（激光、调频连续波雷达）通常磨损小，维护需求相对较低，但激光可能需要定期清洁吹扫装置。接触式传感器（导波雷达的探杆、静压式的隔膜）在高温腐蚀环境下可能需要更频繁的检查和更换，维护成本相对较高。

总体选型建议：

• 对于精度要求极高（±2mm）且能通过工程措施（如强力吹扫）有效控制光路烟雾粉尘的场景，激光液位计是理想选择。 比如英国真尚有的LCJ系列，能够提供无与伦比的精度和快速响应，但对安装和维护要求较高。

• 如果现场烟雾、蒸汽、泡沫极其浓厚，难以通过吹扫解决，且±3mm精度可接受，那么调频连续波雷达（如德国西门子产品）将是更稳健的选择。 它具有强大的穿透能力，受环境干扰小。

• 若容器内部结构允许，且对探杆的耐腐蚀和耐高温性能有信心，同时注重稳定性，导波雷达（如美国艾默生产品）也是一个可行的方案。 但需充分评估探杆的寿命和维护成本。

• 对于液位变化相对缓慢，且液体密度稳定的场景，静压式液位计（如瑞士恩德斯豪斯产品）凭借其成熟可靠的原理和高精度，也是一种选择。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁冶炼中使用激光液位计，即便选型得当，实际应用中也可能遇到一些挑战。

• 问题1：烟雾、粉尘和水蒸气严重干扰激光信号。

  • 原因及影响： 激光是一种光信号，在空气中传播时，如果遇到大量的烟雾、粉尘颗粒或水蒸气，光线会被这些介质散射、吸收或折射，导致激光信号衰减，强度减弱，接收器可能无法识别有效的反射信号，从而造成测量不稳定、数据跳变甚至完全中断。这就像在暴风雪中开车，能见度极低。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫装置： 这是最核心的解决方案。在传感器的发射和接收光学窗口前安装一套强力的空气吹扫系统，持续向测量光路吹送洁净的压缩空气或氮气。这会在传感器窗口前形成一道“空气墙”，有效地阻止烟雾和粉尘进入测量区域，保持光路清晰。

    • 定期清洁： 即使有吹扫，光学窗口也可能积灰，需要定期人工或自动清洁。

    • 优化安装位置： 尽量选择烟雾和粉尘相对较少的区域进行安装，并避开直接面对烟气排放口。

• 问题2：钢水表面波动剧烈或有浮渣覆盖。

  • 原因及影响： 冶炼过程中，钢水可能会因为吹氧、加料、搅拌等操作而剧烈翻腾，形成波浪或喷溅；同时，钢水表面常常覆盖着一层不规则的浮渣。这些都会导致激光束反射不均匀，或者测量点落在渣层而非钢水液面，从而产生不准确或不可靠的测量结果。

  • 解决建议：

    • 多点测量与滤波算法： 采用多个激光传感器进行多点测量，然后通过算法取平均值或中位数，以削弱局部波动的影响。同时，在数据处理中引入数字滤波算法（如移动平均、卡尔曼滤波），平滑测量数据，去除异常跳变点。

    • 识别钢水界面： 对于浮渣层，可以尝试利用激光束的穿透或反射特性，结合图像识别技术（如果可行）来识别真正的钢水界面，或者选择不同原理（如雷达）的传感器进行辅助验证。

    • 避免关键操作时段： 在液位波动最剧烈的操作时段（如加料瞬间），可以暂时切换到其他监测方式或接受一定程度的精度下降。

• 问题3：高温环境对传感器寿命和测量精度的影响。

  • 原因及影响： 冶炼现场的高环境温度会加速传感器内部电子元件的老化，降低其性能稳定性，导致测量漂移、响应变慢甚至彻底损坏。长期暴露在高温辐射下也会影响光学部件的寿命。

  • 解决建议：

    • 高效冷却系统： 为传感器本体配备专用的工业级冷却系统，如水冷套或大流量风冷防护罩，确保传感器在其允许的工作环境温度范围内运行。

    • 耐高温材料选择： 确保传感器外壳、光学窗口及连接件等选用耐高温、抗辐射的特殊材料。

    • 定期校准与维护： 定期对传感器进行校准，检查其测量精度是否保持在要求范围内。对冷却系统进行定期检查和维护，确保其正常工作。

• 问题4：强电磁干扰影响信号传输。

  • 原因及影响： 钢铁冶炼现场，尤其是电炉区域，存在大功率设备运行时产生的强电磁场。这可能干扰传感器的内部电路或信号传输电缆，导致测量信号失真、通信中断。

  • 解决建议：

    • 选用抗干扰传感器： 选择具有良好电磁兼容性（EMC）设计和抗电磁干扰能力的传感器产品。

    • 屏蔽电缆与良好接地： 使用高质量的屏蔽电缆传输信号，并将传感器外壳和电缆屏蔽层可靠接地，以有效抑制电磁噪声。

    • 优化布线： 避免信号电缆与大功率电源线并行敷设或交叉，尽量远离电磁干扰源。

4. 应用案例分享

• 连铸结晶器液位控制： 激光液位计被广泛应用于连铸生产线，实时精确监测结晶器内的钢水液位。通过毫米级的精度控制，确保铸坯的稳定生产和表面质量，防止漏钢和铸坯缺陷，是实现连铸过程自动化和高效率的关键。

• 钢包/中间包液位测量： 在钢水从钢包注入中间包，再从中间包分配到结晶器的过程中，激光液位计可以非接触式监测钢包和中间包内的钢水液位，有助于操作人员掌握钢水流量和剩余量，避免溢出或空包，保障钢水连续浇铸的顺畅进行。

• 高炉出铁口液位监测： 激光测距传感器也可应用于高炉出铁口，测量铁水液位。这为高炉出铁节奏的控制提供了重要依据，有助于优化出铁过程，保障出铁操作的安全性和连续性，减少人为误差。选用IP65防护等级的传感器，如英国真尚有的LCJ系列，能够适应高炉出铁口粉尘较多的环境。