一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統及探頭距離設定方法與流程

本發明涉及礦熱爐冶煉生產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測定裝置，具體為一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統及探頭距離設定方法。

背景技術：

礦熱爐是通過石墨電極向礦熱爐內輸入電能的一種工業電爐，在冶煉過程中，爐況波動是經常性的，不少礦熱爐冶煉現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驗來間接判斷爐況，這就難以保證冶煉工藝參數最優化，也降低了生產效率，影響冶煉能耗和礦耗等關鍵技術和經濟指標。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，這三個冶煉參數是十分關鍵的，而對于這些關鍵參數的測定，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。現有一種磁場單點3D檢測系統可粗略測定礦熱爐參數；磁場單點3D檢測系統由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)以及真有效值轉換電路(TRMS)組成，如圖5所示。圖5中，由PC機發出控制命令，MCU根據指令采集和處理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，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檢測系統的單次采樣及處理時間T_SP可表述為下式，式中，T_Si(i＝1，2，3，4，5)分別為傳感器采集、信號放大、低通濾波、真有效值轉換以及微處理器所需的時間。在實際工程問題中，T_S1、T_S2、T_S3及T_S5均在毫秒數量級，而真有效值轉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，一般轉換一次達到穩定狀態所需的時間T_S4≈3～5s。若僅考慮真有效值轉換時間T_S4，則T_SP≈T_S4≈3～5s。在磁場單點3D檢測方式中，若要獲取爐內的關鍵參數，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檢測系統采樣N個點所需的時間T_NS如下式所示，T_NS＝N×T_SP+(N-1)×T_MOV，式中，N：采樣點數，T_MOV：磁場單點3D檢測系統在相鄰采樣點之間的移動時間。在工程實際問題中T_MOV≥3s。綜上所述，取T_SP(min)≈3s，T_MOV(min)≈3s，將此參數代入上式，可得磁場單點3D檢測系統采樣N個點所需時間的最小值T_NS(min)，T_NS(min)≈6N-3，由該式可知，采集時間T_NS隨采樣點數的增多而增加。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，對移動機械結構設計的復雜度要求較高；

綜上所述，磁場單點3D檢測系統存在著較大的局限性，難以滿足實際工業現場測量的需求。

技術實現要素：

本發明提出一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統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予以有效的判斷，以滿足工程測量的需求。

本發明是采用如下的技術方案實現的：一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統，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的探頭距離設定方法，包括以下步驟：

第一步：建立礦熱爐內電路模型，流經爐內電極的電流為電極電流，電極電流經電弧區到達熔池內，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，中間參數間距△h的表達式如下式：

第五步：根據中間參數間距△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，由已知參數值可得到|B′(h)|_max，再利用3D探頭的分辨率為δ便可得到△h_min，最后根據實際情況，設定值小于△h_min的空間采樣間距d，空間采樣間距d即為3D探頭距離。

本發明提出一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統，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I_AC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檢測系統的示意圖。

圖6為本發明磁場陣列傳感檢測系統的示意圖。

圖7為磁場陣列傳感檢測系統現場測試示意圖。

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。

具體實施方式

一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統，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的探頭距離設定方法，包括以下步驟：

第一步：建立礦熱爐內電路模型，流經爐內電極A、B、C的電流分別為電極電流I_A、I_B、I_C，電極電流I_A、I_B、I_C經電弧區到達熔池內，在熔池液面處形成熔池電流三角形回路I_AC、I_CB、I_BA，如圖1所示；

第二步：根據電磁場理論，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I_AC，

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S₁、S₂、…、S_m、…、S_i若干點作為檢測點，電流I_AC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_AC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，其中r²＝h²+a²，P₁測量原點位于中垂線上，故檢測點到熔池電流直線通路起點或終點的距離相同，

第四步：依數字化成像檢測技術理論，采樣間距密度不足會引起偽像，而采樣間距越密，雖其空間分辨率會越高，反映出的爐況越真實，但過多的冗余會造成資源浪費。設h_i、h_i+1分別表示檢測點S_i、S_i+1的高度，B_i、B_(i+1)分別表示S_i、S_i+1處的磁感應強度，令△h＝h_(i+1)-h_i，磁感應強度變化量△B＝B_(i+1)-B_i，則B的分布特性及△B與△h的關系如圖4所示。圖4中檢測點S_i處的切線為S_iT，根據微分學中非線性函數局部線性化的基本思想方法，在檢測點S_i的鄰近，可用切線段S_iP來近似代替曲線段S_iS_i+1，即用微分dB近似代替△B。因此，如果B在某一點處的導數B′(h)≠0，且△h相對于檢測點P₁到電流I_AC通路的距離a很小時，則近似有|△B|≈dB＝|B′(h)|△h。設定檢測系統中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，中間參數間距△h的表達式如下式：

第五步：根據中間參數間距△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，由于檢測點在爐外，故取μ₀＝4π×10^-7H/m，同時有I_AC≈40kA，結合現場的環境條件，取a≈8.5m，L_AC≈1.6m，將這些參數代入上式，可得磁感應強度的最大變化率如下式所示，本發明中設定3D探頭的分辨率為δ＝12mGs(硬件開發一旦完成，則δ為常數)，則有根據上式，只要d≤11.5cm，即可檢出所需信號，再考慮到硬件設計的條件限制，取空間采樣間距d＝10cm。

在磁場陣列傳感檢測系統的檢測方式下，不存在移動時間，且子控制器同時采集數據，其延遲時間T_NA相當于單點3D檢測單次采集及處理時間T_SP，T_NA≈T_SP，由此可知，磁場陣列傳感檢測系統檢測方式下的采集周期T_NA≈3～5s，且基本與采樣點數N無關，其實時性遠優于磁場單點檢測方式。另外，陣列檢測方式不存在機械機構的移動問題，且保證了采樣距離的均勻性以及基準面和基準線的統一性，機械連接結構設計及后期維護簡單，測試精度和采集效率均可大幅提高。

磁場陣列傳感檢測系統現場測試圖如圖7所示，將磁場陣列傳感檢測系統選在中垂線與電極線之間，且與電極線呈夾角θ≈20°；磁場陣列傳感檢測系統距爐壁約6m。圖7中，3D探頭S₁處下方10cm處為檢測原點o，陣列涵蓋電極末端，測量完成后進行系統輸出電壓與磁感應強度間關系的標定。