如何在1100℃+高温、烟尘密布的冶金炉中，实现熔融铜液面±1mm的非接触式精准测量？【连铸液位、自动化控制】

1. 铜液面高度测量的基本结构与技术要求

铜液面高度测量，本质上是在极度恶劣的工业环境下，持续、准确地掌握高温熔融铜液在容器内的填充状态。想象一下，一个巨大的冶炼炉或中间包，里面翻滚着温度高达1100℃甚至更高的液态铜，就像一个沸腾的金属湖泊。这个“湖泊”的表面会不断地有热辐射、蒸汽、烟尘，甚至可能出现飞溅和剧烈的波动。在这样的环境中，要精确地测量液面高度，对传感器来说是一个巨大的挑战。

其基本技术要求主要体现在以下几个方面：

• 耐高温性： 传感器或其前端必须能够承受铜液面散发出的极高热辐射和环境温度。

• 抗干扰能力： 测量信号不能轻易被高温蒸汽、烟尘、电磁干扰、液面波动或太阳光（如果是在户外或半户外）等因素影响。

• 非接触性： 直接接触高温熔融铜液会导致传感器迅速损坏，因此非接触测量是基本前提。

• 测量精度和重复性： 多数工艺要求毫米级甚至亚毫米级的测量精度，并且在长时间运行中保持高度一致。

• 响应速度： 对于动态变化的液面，传感器需要具备足够快的响应速度，以便实时监控和控制。

• 连续监测能力： 生产过程通常是连续的，传感器需要提供稳定可靠的连续数据输出。

• 安装与维护： 传感器应易于安装，并且在恶劣环境下具备较低的维护需求。

2. 针对铜液面高度测量的相关技术标准简介

在铜液面高度的测量中，有几个关键的监测参数和评价方法需要我们了解，它们决定了传感器在实际应用中的表现。

• 物位（Level）： 这是最核心的参数，指铜液自由表面相对于某个基准点的垂直高度。它的定义和测量基准在不同的应用场景中可能会有所不同，例如是测量距离容器顶部还是底部，或是测量某个特定工艺点的液面高度。

• 测量范围（Measuring Range）： 指传感器能够有效测量物位的最小到最大距离。在选择传感器时，需要确保其测量范围能够覆盖铜液在正常生产波动下的所有可能高度。

• 精度（Accuracy）： 精度表示测量结果与真实物位之间的最大偏差。对于铜液这种价值高、工艺要求严苛的物料，通常要求高精度测量，以确保生产质量和安全。例如，±1毫米的精度意味着测量值与实际值之间的差距不会超过1毫米。

• 重复性（Repeatability）： 指在相同测量条件下，对同一物位进行多次测量，测量结果之间的一致程度。高重复性对于稳定的过程控制至关重要，它反映了传感器自身性能的稳定性。

• 分辨率（Resolution）： 传感器能够区分的最小物位变化量。例如，一个分辨率为0.1毫米的传感器，能够检测到液面0.1毫米的变化。

• 响应时间（Response Time）： 指传感器从接收到物位变化到输出相应测量结果所需的时间。在快速变化的铜液面场景中，更短的响应时间意味着能更及时地反馈液面状况。

• 过程温度（Process Temperature）： 这是指被测介质（铜液）的温度。虽然传感器是非接触的，但高温液面产生的辐射热会极大地影响传感器的工作环境，因此传感器必须能承受这种辐射热。

• 环境温度（Ambient Temperature）： 指传感器所处的工作环境温度。对于高温冶金车间，环境温度可能远高于常温，需要传感器具备宽广的工作温度范围或采取额外的散热措施。

• 防护等级（Protection Class）： 通常用IPXX表示，如IP65或IP68。它描述了传感器外壳防尘、防水的能力，对于多尘、潮湿或可能被水冲洗的工业环境至关重要。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在铜液面高度这种高温、高干扰的极端工况下，市面上有多种非接触式测量技术方案可供选择，每种都有其独特的工作原理、优缺点和适用场景。

a. 激光测距技术（Time-of-Flight，TOF）

想象一下，你用手电筒往对面墙上打一束光，然后计时光从手电筒发出到反射回来用了多长时间。光速是恒定的，所以只要知道时间，就能算出距离。激光测距传感器的工作原理与此类似，它发射一束高度集中的激光脉冲，然后精确测量激光从发射到被铜液表面反射并返回接收器所需的时间（即飞行时间）。

工作原理和物理基础：传感器内部的激光器发射一个极短的激光脉冲，这个脉冲以光速 (c) 传播到铜液表面，被表面反射后返回到传感器。传感器的高速计时电路会精确测量这段“飞行时间” (t)。由于激光往返距离是真实距离的两倍，因此传感器与铜液表面的距离 (D) 可以通过以下公式计算：

D = (c * t) / 2

其中，c 是光速，大约为3 x 10^8 米/秒。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常从几厘米到几百米，甚至达到数千米。在工业应用中，几米到数百米是常见范围。* 精度： 毫米级到厘米级，例如 ±1毫米至 ±10毫米。* 响应时间/测量速度： 从几十赫兹到数百赫兹，意味着每秒可以进行几十到几百次测量。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触性： 完全避免与高温铜液直接接触，有效保护传感器。 * 高精度： 能够实现毫米级的精确测量，满足多数工业控制需求。 * 快速响应： 能够提供高频率的测量数据，实时捕捉液面动态变化。 * 长测量距离： 适用于大型容器或需要远离高温源的场合。 * 抗环境光干扰： 先进的激光测距传感器通常会采用窄带滤波器和数字信号处理技术，有效抑制环境光（如太阳光）的影响。 * 测量高温表面： 激光可以精确地测量高温物体的表面距离，只要其表面具有一定的反射率。* 缺点： * 对蒸汽/烟尘敏感： 激光束在穿透浓厚的蒸汽、烟尘时可能会发生散射和衰减，影响测量精度和稳定性。 * 对表面反射率要求： 虽然先进产品能测量深色、低反射率表面，但极端情况（如镜面反射或吸收性极强）仍可能影响性能。 * 成本： 相较于一些简单的液位计，高性能的激光测距传感器成本会更高。

b. 脉冲雷达物位计

脉冲雷达物位计的工作方式与激光测距有点类似，但它发射的是微波而不是激光。想象一下，你站在一个大山洞里对着洞壁喊话，通过回声传来的时间判断洞壁有多远。雷达物位计就是这样，它发射微波脉冲，微波遇到铜液表面后被反射回来。

工作原理和物理基础：传感器通过天线发射高频微波脉冲。这些微波脉冲以特定的速度（在空气中接近光速，但在不同介质中传播速度略有不同）穿过传感器与液面之间的空间。当微波脉冲到达铜液表面时，一部分能量被反射回传感器。传感器接收反射回波，并精确测量从发射脉冲到接收回波之间的时间差 (t)。物位高度 (D) 根据以下公式计算：

D = (v_medium * t) / 2

其中，v_medium 是微波在当前介质（通常是空气）中的传播速度。由于微波的波长较长，具有较强的穿透力。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 几米到上百米，例如可达70米。* 精度： 毫米级，例如 ±2毫米。* 过程温度： 适用于极宽的温度范围，带特殊天线和散热器可达+450℃以上。

技术方案的优缺点：* 优点： * 抗干扰能力强： 微波脉冲穿透力强，不易受高温蒸汽、粉尘、湍流或介质密度变化的影响。这对于冶金这种多烟尘、多蒸汽的环境非常有优势。 * 高可靠性： 测量结果稳定，几乎不受介质物理特性的影响。 * 非接触测量： 与铜液无直接接触，保障传感器寿命。 * 宽温度范围： 经过特殊设计可适应极高过程温度。* 缺点： * 对容器内壁结构敏感： 容器内壁如果过于粗糙、有障碍物，或者传感器安装位置不佳，可能产生虚假回波，影响测量。 * 成本较高： 相较于一些入门级传感器，雷达物位计的初期投入通常较高。

c. 放射性物位测量

这是一种比较特殊的测量方法，它利用放射性同位素发出的伽马射线来“透视”液位。想象一下X光，它能穿透你的身体。伽马射线也类似，能穿透容器壁和铜液。

工作原理和物理基础：该系统通常由一个放射源（如钴-60或铯-137）和一个伽马射线探测器组成，两者分别安装在容器的两侧或一侧的上方和下方，不直接接触容器内部。放射源持续发射伽马射线，这些射线穿透容器壁和内部的铜液。当铜液液位上升时，穿过铜液的伽马射线会因为被吸收或散射而衰减。探测器测量穿透铜液后的伽马射线强度，根据射线强度的变化来推断铜液的物位高度。铜液物位越高，射线衰减越多，探测器接收到的射线强度越弱。

物理基础涉及伽马射线的衰减定律：I = I0 * e^(-μρx)其中，I是穿透后的射线强度，I0是初始射线强度，μ是质量衰减系数，ρ是被测介质密度，x是射线穿透的介质厚度。通过测量I的变化，可以反推出x（即液位高度）。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 典型为0.1米至4米，可根据容器尺寸和放射源强度定制。* 过程温度： 传感器和放射源均不直接接触被测介质，因此对过程温度没有限制（例如，最高可达+600℃，不接触）。* 精度： 通常在毫米级到厘米级，取决于配置和应用。

技术方案的优缺点：* 优点： * 完全非接触： 传感器完全安装在容器外部，不与铜液和容器内部环境接触，因此不受铜液的温度、压力、密度、腐蚀性、粘度、泡沫、蒸汽等任何物理特性影响。 * 极端环境适用： 适用于其他传感器难以胜任的最极端和严苛的工业环境。 * 高安全性： 无需在容器上开孔，确保过程安全和密封性。* 缺点： * 放射源管理： 涉及放射性物质，需要严格的法规许可、安全防护措施和定期检测，增加了运营复杂性和成本。 * 响应速度较慢： 相较于激光或雷达，放射性测量的响应速度通常较慢。 * 初期投入高： 系统成本较高，包括放射源、探测器以及相关的安全防护设施。

d. 激光位移传感器（三角测量法）

这种激光测量方法与长距离的激光测距（TOF）不同，它更像是通过观察光斑位置的变化来判断物体距离。想象一下，你用一支笔斜着照射一张纸，当你把笔抬高或降低时，纸上的光斑位置会跟着移动。三角测量法就是利用这个几何原理。

工作原理和物理基础：传感器发射一束激光束，以一定的角度照射到铜液表面，形成一个光斑。铜液表面反射的光线通过一个接收透镜，聚焦到一个位置敏感探测器（PSD）或CMOS图像传感器上。当铜液表面高度发生变化时，反射光斑在探测器上的位置也会随之移动。通过分析光斑在探测器上的精确位置，并利用几何三角关系，传感器可以高精度地计算出传感器与铜液表面之间的距离，从而确定液位高度。

几何原理可以简化为：d / L = tan(θ)其中，d是光斑在PSD上的位移，L是探测器到透镜的距离，θ是反射角的变化。更复杂的公式涉及发射角、接收角等。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常较短，从几毫米到几十毫米。* 精度和分辨率： 极高，重复精度可达微米级甚至亚微米级。* 采样速度： 非常快，可达数百千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 超高精度和分辨率： 能够提供极其精密的液位或位移测量，适用于需要微小变化检测的场合。 * 极快响应速度： 高速采样能力使其非常适合捕捉动态变化的液面。 * 非接触式设计： 避免与高温铜液直接接触。* 缺点： * 测量范围短： 普遍适用于短距离、小范围的位移测量，不适用于大范围的液位测量。 * 对表面状况敏感： 表面反射率、光泽度变化，或液面波动较大时，可能会影响测量稳定性。 * 对安装角度和环境光有要求： 传感器和被测表面之间需要保持特定的几何关系，且强烈的环境光可能干扰测量。 * 对蒸汽/烟尘敏感： 激光路径上的蒸汽或烟尘可能导致光束衰减或散射，影响精度。

（2）市场主流品牌/产品对比

在铜液面高度检测领域，国际上有一些知名的品牌提供了成熟的解决方案。下面是几个具有代表性的品牌及其技术方案：

德国维萨拉

德国维萨拉以其在物位和压力测量领域的专业性而闻名，特别是在雷达物位计方面处于市场领导地位。他们提供的解决方案，例如基于脉冲雷达技术的传感器，专为恶劣工况设计。这类传感器通过发射和接收微波脉冲来测量液位，具有强大的穿透力，不易受高温蒸汽、湍流或粉尘的影响。其测量范围可达70米，测量精度可达±2毫米，并能承受高达+450℃的过程温度。维萨拉的优势在于其产品的稳定性和可靠性，能够有效减少维护需求。

英国真尚有

英国真尚有提供的LCJ系列激光测距传感器，是采用飞行时间法(TOF)激光测距原理的代表产品。该系列传感器通过发射激光脉冲并测量其往返时间来计算距离，具有较高的精度和较广的测量范围。该产品测量范围从0.05米至500米，精度可达±1毫米。该传感器可以测量高温物体表面距离,实测最高表面温度为1550℃,这使其在铜液面高度测量等高温应用中表现出色。同时，它具备高达250Hz的测量速度，能够捕捉快速变化的液面动态，其IP65的防护等级，保证了在工业环境下的可靠运行。该系列产品提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和高精度模拟输出，使得数据集成和系统控制灵活方便。

瑞士恩德斯豪斯

瑞士恩德斯豪斯是全球领先的测量仪表供应商之一，其Gammapilot系列产品采用了放射性物位测量技术。这种方案的独特之处在于它完全非接触，传感器和放射源都安装在容器外部，通过伽马射线穿透容器壁和铜液来测量液位。这意味着它完全不受铜液的温度、压力、密度、腐蚀性、粘度、泡沫或蒸汽等内部条件的影响，适用于最极端和严苛的工业环境。虽然其测量范围通常在0.1米到4米之间，且精度取决于具体配置，但其无惧任何内部介质影响的特性，以及无需在容器上开孔来保障过程安全的优势，使其成为某些特定应用场景下的首选。

日本基恩士

日本基恩士以其创新的高精度传感器技术而闻名，其LK-G5000系列激光位移传感器采用了高速三维三角测量法。这款传感器发射激光束到铜液表面，并通过分析反射光斑在探测器上的位置变化来计算距离。这种技术的核心优势在于其无与伦比的超高精度和极快的采样速度。例如，某些型号的重复精度可达0.005微米，采样速度高达392 kHz。这使得它非常适合需要精密液位控制和快速响应的在线检测场合，尤其是在微小液位波动或位移检测方面表现卓越。但需要注意的是，它的测量范围通常较短，更适用于近距离的精密位移测量。

美国康耐视

美国康耐视是机器视觉领域的佼佼者，其In-Sight D900智能相机采用了机器视觉技术进行液位检测。这种方案利用高分辨率工业相机采集铜液表面的图像，然后通过内置的深度学习或传统图像处理算法，实时分析图像以识别铜液表面的边缘或轮廓，从而精确确定其高度。该系统的优势在于其极高的灵活性和适应性，能够通过训练模型来处理复杂多变的表面状况、光照变化，甚至少量烟雾或飞溅。它不仅能进行液位检测，还可以集成其他视觉检测任务，如表面缺陷检测，实现多功能一体化，对于需要高智能化和多任务处理的场景具有独特优势。

（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

在选择铜液面高度监测设备时，我们需要像挑选专业的赛车手一样，不仅看他跑得多快，更要看他在各种复杂赛道上的适应能力和稳定性。以下是一些需要重点关注的技术指标及其选型建议：

1. 测量精度和重复性：

   • 实际意义： 精度决定了你测量结果的“准不准”，重复性决定了每次测量的“稳不稳”。对于熔融铜液这种高价值、高风险的介质，毫米级的精度可能直接关系到产品质量和生产安全。重复性差的传感器，即使平均值准确，波动大也无法实现稳定控制。

   • 选型建议： 根据工艺要求决定。如果只是粗略监控，±5mm可能足够；如果涉及精密的流量控制或铸件质量，则需要±1mm甚至更高的精度。优先选择重复性好的传感器，它代表了传感器本身的稳定性能。

2. 测量范围：

   • 实际意义： 传感器能测量的最小到最大距离。如果测量范围太小，液面稍微波动就可能超出传感器的监测能力；范围太大则可能增加成本和降低分辨率。

   • 选型建议： 必须覆盖铜液在整个生产周期内可能出现的最低和最高液位。同时，要考虑传感器安装位置到液面的距离，选择略大于实际所需距离的测量范围，留出裕量。

3. 响应速度（测量频率）：

   • 实际意义： 传感器每秒能进行多少次测量。液面波动剧烈时，如果传感器响应太慢，就无法捕捉到瞬时变化，导致控制滞后。

   • 选型建议： 对于液面相对稳定的炉体，几十赫兹（Hz）可能足够。但如果是在连续铸造等液面动态变化快、需要快速反馈的场合，则可能需要数百赫兹甚至更高的测量频率。

4. 耐温性（环境温度和被测介质温度）：

   • 实际意义： 这是在铜液应用中最重要的指标之一。传感器需要承受来自铜液面高达1000多度的热辐射，以及冶炼车间可能高达60℃甚至更高的环境温度。如果传感器不能耐受，寿命将大大缩短，甚至立即损坏。

   • 选型建议： 仔细评估传感器的“过程温度”和“环境温度”范围。对于高温应用，通常需要选择本身就设计用于高温的传感器，或者必须配备有效的冷却系统（如水冷套、空冷套或隔热罩）。

5. 抗干扰能力：

   • 实际意义： 铜液表面常伴有蒸汽、烟尘、电磁干扰，甚至液面晃动。传感器能否“透过”这些干扰看清液面，是其稳定工作的关键。

   • 选型建议： 雷达技术通常对蒸汽和粉尘有较强的穿透力。激光技术在强烟尘环境下可能受影响，但先进的激光传感器通过更强的发射功率和信号处理能力可以部分克服。机器视觉则需要保证图像清晰，可能需要吹扫系统或特殊光源。

6. 防护等级（IP等级）：

   • 实际意义： 表示传感器防尘、防水的性能。冶金车间通常粉尘大、可能有机物飞溅甚至冲洗，低防护等级的传感器容易因异物侵入而损坏。

   • 选型建议： 至少选择IP65或更高等级（如IP67、IP68）的传感器，以确保其在恶劣环境中的长期可靠性。

7. 接口类型：

   • 实际意义： 传感器如何与控制系统（如PLC、DCS）通信。常见的有模拟量输出（4-20mA）、数字通信接口（RS232、RS485、以太网）等。

   • 选型建议： 考虑现有控制系统的兼容性，选择易于集成的接口类型。例如，模拟输出适用于简单的控制，而数字接口则能提供更多诊断信息和更灵活的配置。

总体选型建议：首先，明确最严格的工艺要求，如精度和响应速度。其次，根据实际工况（温度、蒸汽、粉尘）来筛选合适的测量原理（如激光、雷达、放射性）。然后，结合安装条件、维护成本和预算进行最终权衡。对于铜液面这种极高温环境，非接触、高耐温、强抗干扰的传感器是首选，必要时需考虑冷却和吹扫等辅助措施。

（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传感器，在铜液面这种复杂的实际应用中，我们仍然可能遇到各种“不期而遇”的问题，就像在崎岖山路上开车，需要应对各种突发状况。

1. 问题：高温辐射对传感器的影响

   • 原因和影响： 熔融铜液散发出的巨大热辐射，会使得传感器本体温度升高，远超其设计的工作温度范围，导致内部电子元件过热，测量漂移甚至永久性损坏。

   • 解决建议：

     • 冷却保护： 这是最直接有效的方法。可以为传感器配备水冷套或空冷套，通过循环冷却水或压缩空气带走热量，将传感器本体温度控制在安全范围内。

     • 隔热屏障： 在传感器与铜液面之间设置陶瓷纤维、耐火砖或水冷板等隔热材料，阻挡部分热辐射。

     • 延长安装距离： 在条件允许的情况下，尽量将传感器安装在远离铜液面的位置，利用空间距离减弱辐射热。

2. 问题：蒸汽、烟尘遮挡信号

   • 原因和影响： 铜液表面会不断蒸发产生金属蒸汽，以及冶炼过程中产生的大量烟尘。这些颗粒物会散射和吸收传感器的测量信号（尤其是激光和机器视觉），导致信号衰减、测量不稳定甚至完全失效。

   • 解决建议：

     • 空气吹扫装置： 在传感器测量窗口前安装吹扫装置，持续吹出洁净的压缩空气或氮气，形成一道“气幕”，将蒸汽和烟尘推开，保持测量路径清晰。

     • 选择穿透力强的传感器： 对于极其恶劣的烟尘环境，雷达传感器由于使用微波，其穿透力通常优于激光和机器视觉。

     • 优化安装角度： 避免将传感器安装在蒸汽和烟尘最浓密的区域，尽量选择气流相对稳定的位置。

3. 问题：液面晃动、波纹或飞溅

   • 原因和影响： 铜液在冶炼、精炼或铸造过程中可能因为加料、搅拌或出渣等操作而产生剧烈晃动、波纹，甚至飞溅。这些不规则的表面会使得传感器的测量点不稳定，导致数据波动大，无法准确反映平均液位。

   • 解决建议：

     • 数据滤波和平均： 在传感器输出端或控制系统对测量数据进行数字滤波（如移动平均、卡尔曼滤波）处理，平滑数据，去除瞬时波动，获得更稳定的平均液位。

     • 多点测量： 在液面不同位置安装多个传感器，取其平均值或通过算法排除异常值，提高整体测量的鲁棒性。

     • 限制波动源： 优化工艺操作，减少引起液面剧烈波动的因素。

4. 问题：表面反射率变化

   • 原因和影响： 铜液表面可能因为温度变化、氧化膜形成或有浮渣而导致其对测量信号的反射率发生变化，这可能会影响激光或雷达传感器信号的接收强度，进而影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 选择对反射率不敏感的传感器： 放射性物位计由于不依赖表面反射，完全不受此影响。

     • 传感器自动增益控制 (AGC)： 许多高性能激光和雷达传感器都内置了AGC功能，能够根据接收信号强度自动调整发射功率或接收灵敏度，以适应表面反射率的变化。

     • 校准与补偿： 在不同表面条件下进行校准，并在测量时进行软件补偿。

5. 问题：传感器安装位置限制

   • 原因和影响： 冶炼车间空间有限，或者需要避开行车、检修口等障碍物，导致传感器无法安装在理想的垂直上方位置。倾斜安装可能会引入额外的测量误差。

   • 解决建议：

     • 选择宽角度测量能力传感器： 有些雷达或激光传感器允许一定角度的倾斜安装，并通过内部算法进行补偿。

     • 精确的几何补偿： 如果必须倾斜安装，需要精确测量安装角度和几何位置，并在控制系统中进行数学补偿，将斜距转换为垂直高度。

     • 远程安装解决方案： 对于某些极端情况，可能需要考虑使用具备超长测量距离的传感器，将其安装在更远处。

4. 应用案例分享

铜液面高度的连续精准监测，在有色金属冶金行业中扮演着至关重要的角色，它直接影响生产效率、产品质量和安全。在冶炼炉/精炼炉中，通过激光测距传感器监测铜液位，可以帮助操作人员掌握炉内物料量。

• 连续铸造： 在铜杆、铜板或异型铜材的连续铸造过程中，精确控制结晶器内的铜液面高度是保证铸坯质量和稳定拉速的关键。传感器持续提供液位数据，确保液面波动在极小的范围内。

• 冶炼炉/精炼炉： 监测熔炼炉或精炼炉内的铜液位，有助于操作人员掌握炉内物料量，指导加料、出渣和转炉等操作，优化熔炼过程和能源消耗。

• 中间包液位控制： 在钢包向连铸机送液的过程中，中间包作为缓冲容器，其液位稳定对于防止卷入空气、保证铸坯质量至关重要。传感器提供实时液位数据，辅助控制滑板阀的开度。

• 熔融金属转运： 在熔融铜的吊运、浇注过程中，对转运包或浇注槽内的液位进行监控，有助于防止溢出、确保浇注量精确，提高操作安全性。

• 电解精炼： 在铜电解精炼的电解槽中，监测铜液的电解液位，有助于维持稳定的电解过程，确保铜的纯度，提高精炼效率。