煤粉仓粉位仪用电容传感器的研制.pdf

中国矿业大学学报990 32 4 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第3期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 3 1999 煤粉仓粉位仪用电容传感器的研制 宗伟林 邓先明 赵英麟 摘要 介绍了用定点小电容传感器检测煤粉仓粉位的一般原理，重点论述了在温度、 湿度变化大及有高粉尘浓度环境中使用的传感器的设计方法、安装制作工艺以及关键 部件的选材和结构，给出了传感器的现场实测数据. 关键词 煤粉仓，小电容，传感器 中图分类号 T K 2 8 4. 3 Re s e a r c h o n Po w d e r Co a l Po s i t i o n M e a s u r e m e n t w i t h Ca p a c i t i v e Se n s o r Zo n g W e i l i n D e n g Xi a n m i n g Zh a o Yi n g l i n （ Co l l e g e o f In f o r m a t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，CU M T ，Xu z h o u , Ji a n g s u 2 2 10 0 8 ） A b s t r a c t T h e g e n e r a l p r i n c i p l e o f p o s i t i o n d e t e c t i o n i n p o w e r c o a l t a n k b y u s e o f s o m e f i x e d s m a l l c a p a c i t i v e s e n s o r s i s d i s c u s s e d . T h e f o c u s i s t h e d e s i g n , i n s t a l l a t i o n a n d m a n u f a c t u r e o f s e n s o r s u s e d i n t h i c k p o w d e r s i t u a t i o n , h i g h t e m p e r a t u r e a n d c h a n g e a b l e m o i s t u r e . T h e m a t e r i a l a n d c o n s t r u c t i o n o f s o m e k e y p a r t s a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l . So m e t e s t d a t a m e a s u r e d i n p o w e r p l a n t a r e i n c l u d e d . K e y w o r d s p o w d e r c o a l t a n k , c a p a c i t o r , s e n s o r 中储式火电厂煤粉仓的粉位需要在机组运行时定时检测，这不仅是安全生产的需 要，也是适时起停制粉系统节约电能的需要. 目前大都采用人工摇粉漂的办法检测粉 位，现场迫切需要工作稳定可靠的自动粉仓粉位仪，但因粉仓环境恶劣而一直没能很 好解决［1］，究其原因大多是传感器不能适应现场环境. 经过几年努力，我们采用定点 小电容方法制做传感器，较好地解决了这个问题. 粉仓粉位仪系统已在文献［2 ］中介 绍，这里专门论述其关键部分传感器的研制. 1 基本原理和结构 电容传感器的基本原理之一，是介质变化时介电常数ε的改变直接影响到电容量 的改变. 仓储式物料（液体或粉状）有别于空气的介电常数，因此，可通过电容传感器 电容的变化来检测仓储物料的料位. 电容传感器本身具有结构简单、灵敏度高、成本低 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 4. h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 0 中国矿业大学学报990 32 4 廉等特点，已大量应用于各种工业场合. 煤粉仓中储存有小于149μm 的煤粉. 煤粉的粘度不大，自然安息角很小并具有一定 的流动性. 粉仓内环境温度较高，一般为6 0 ～7 0 ℃，封闭不好会引起煤粉的局部自燃， 自燃区域温度可达7 0 0 多度. 粉仓内超细粉末的运动及与传感器摩擦都会产生静电. 受周 围气候冷热变化的影响，空气中的水分会在仓顶凝结，使粉仓内空气湿度增加，增加 了煤粉的含水量. 对于不同煤质的煤，其煤粉的介电常数也存在一定差异. 另外, 煤粉属 可燃性粉尘, 在传感器电路设计时要考虑其安全性能. 归结起来，运用于煤粉仓的电容传 感器应有耐高温、耐潮湿、防静电和防爆性能. 根据煤粉仓的这些特点，我们确定了定点小电容检测的基本模式，传感器安装如 图1所示. 小电容基本结构见图2 ，长钢管为传感器的一个公共接地电极，也是传感器的 本体支架，在钢管同一方向的不同点处设置半圆筒状极板，构成小电容的正极. 传感器 竖立于煤粉仓中，正极板依靠支撑杆和传感器本体联接，两者彼此绝缘，各极板信号 通过信号传输线送到变送器. 当某个极板无煤粉时，小电容的介质为空气，介电常数为 ε0；有煤粉时，介电常数为ε，且ε‧ε0，小电容的变化量为ΔC C－C0，检测电 容的变化量便可判断料位是否到达该位置. 图1 传感器安装示意图 Fi g . 1 T h e s k e t c h o f s e n s o r i n s t a l l a t i o n f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 4. h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 0 中国矿业大学学报990 32 4 图2 小电容结构示意图 Fi g . 2 T h e s k e t c h o f s m a l l c a p a c i t o r s t r u c t u r e 2 小电容极板的结构设计 长直圆柱形极板电容量的计算公式为［3，4］ 式中L为极板高度；R1为电容器接地极的半径；R2为电容器正极半径，见图2 . 小电容正极板为半圆筒状，由于小电容两极板间距远小于其长度，为使问题分析 简化，可以忽略极板的边缘效应，则小电容的计算公式可简化为 粉仓内小电容的变化量为 取小极板的长度远大于钢管的半径，即L＝K R1，K 为大于1的常数. 则可按变化量 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 4. h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 0 中国矿业大学学报990 32 4 ΔC最大来确定R1，R2的比例关系. 求ΔC的一阶导数并令 则 得 满足上式的条件为 按照R2 e R1的关系制造电容器，才可保证有煤粉存在时小电容有最大的变化量， 这意味着提高了传感器的灵敏度，有益于后续电路的设计. 实际制作传感器时，考虑到 传感器的机械强度及正极板与钢管之间不积煤粉, 经反复试验取L 150 m m , R1 30 m m , R2 8 5m m . 3 部件选材和制作安装工艺 根据粉仓环境对传感器的要求，在传感器的部件设计和选材上要做到耐高温和耐 潮湿. 传感器的仓内结构主要由4部分组成，即接地极（钢管制作）、正极板（薄钢板 制作）、信号引线和支撑杆. 电容的两极都是钢制品，可以耐高温潮湿，设计时主要考 虑信号引线和支撑杆的耐温耐湿和绝缘问题. 绝缘材料的耐温和耐湿是相互矛盾的，耐 温材料不耐湿，反之亦然. 一般材料很难同时满足这两种要求. 为此，课题组探讨了多种 密封方案，试验了十几种密封材料和高温导线. 信号引线放置在钢管中，当粉仓局部发生自燃时，受热传导导线也承受很高的温 度. 试验时曾发生过耐40 0 ℃的高温导线绝缘被融化粘结在一起的事件. 要耐住如此高 温，需要对导线进行特殊设计和加工，传感器采用的高温导线断面结构如图3所示. 对 导线进行高温试验，在7 0 0 ℃时外观及强度基本没变化，10 0 0 ℃时绝缘层已近灰化，导 线完全损坏. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 4. h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 0 中国矿业大学学报990 32 4 图3 信号引线断面图 Fi g . 3 T h e s e c t i o n o f s i g n a l d o w n -l e a d 1. 镍铬芯线；2 . 石棉编织带层；3. 云母布层；4. 铜网屏蔽层 解决了信号引线耐高温后，还要解决其吸湿问题，如粉仓内的湿空气进入钢管内 就可能使导线受潮，改变信号引线本身的基本电容，引起信号混乱. 所以对支撑杆的要 求是本身要耐高温，并且支撑杆与钢管之间要能很好密封. 支撑杆结构如图4所示，需 特殊加工. 基本材料为钢和陶瓷，都能耐高温潮湿，它与钢管的连接采用焊接，以提高 密封性，保证粉仓内湿空气进不了钢管内部. 在信号引线上端与变送器的连接处即信号 引线在钢管的出口处，也用密封胶进行了处理，使外界的湿空气进不了钢管内部. 采取 上下密封措施后，信号引线本身的电容就基本确定了，则可得到基本保持不变的传感 器空仓电容值. 图4 支撑杆结构示意图 Fi g . 4 T h e s k e t c h o f s u p p o r t i n g p o l e s t r u c t u r e 1. 金属外套；2 . 陶瓷绝缘层；3. 导电螺栓 传感器的制作工艺水平直接影响传感器的使用效果，制作时应注意如下几个方 面 1 支撑杆绝缘和密封性能. 因支撑杆中间层选用陶瓷，在加工过程中容易破裂，有 时形成暗裂纹不易察觉. 使用前应先进行湿热检查，用50 0 V摇表测试绝缘，绝缘电阻大 于10 0 M Ω方为合格. 2 仔细处理信号引线与支撑杆的接头. 不要让镍铬芯线刺破绝缘层而与钢管相碰. 信 号引线的排列要有次序，使芯线与钢管壁的分布电容按规律变化. 3 焊接支撑杆时要使其与钢管切实垂直，焊缝要一致，焊口绝对不能有气孔. 4 传感器的搬运要小心，不能发生碰撞. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 4. h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 0 中国矿业大学学报990 32 4 4 实际应用和实测数据 煤粉的有无以ΔC的大小作为判别依据，所以掌握有粉时电容量的最小变化量至 关重要. 地面试验时取不同煤质的新粉（在细粉分离器出口处取的粉，非常干燥），自 然堆积刚好埋上一个极板，测出有无粉的ΔC变化为2 0 ～30 p F，因为在粉仓内煤粉的湿 度和密度都有所增大. 所以实际应用以ΔC 30 p F作为标准. 极板电容信号经信号引线传到变送器电路，信号引线和钢管壁之间的电容有数百 皮法，甚至上千皮法. 为检测只有30 p F的变化量，变送器数据采集电路采用智能化手段 处理，软硬结合提高检测精度，使其在基本电容10 0 0 p F时，能分辨1p F的变化量，满足 了信号检测的需要. 在变送器中还设置有静电释放电路，在巡回检测每个极板前，先对该极板进行放 电，以消除静电对检测的影响. 变送器电路按本质安全电路要求设计，符合粉仓防爆要 求. 自1998 年3月已有4套煤粉仓料位仪在佳木斯发电厂安装运行，至今连续不间断运 行了6 个多月，每个传感器装有18 个电极，电极间隔为2 50 m m ，从下到上定为1～18 号，工作时先测出每个电极的空仓数据，利用增加的30 p F作为有无煤粉的判断依 据，从下往上若有N块极板被粉埋住，粉仓粉位即为N2 50 m m . 安装调试记录了上万 个数据，中间包含有空仓、满仓、升粉、降粉和机组停炉等各种工况环节，现选择典 型数据（1998 年3月～1998 年10 月）列于表1，2 . 表1 11号炉东南仓检测数据 T a b l e 1 T h e m e a s u r i n g d a t a o f s o u t h e a s t t a n k o f No . 11 p F 日期时间 极 板 号 1371417 1998 -0 3-2 819 40 956 950 96 6 6 6 9 50 1* 1998 -0 3-30 10 0 0 937 937 7 6 6 56 3*50 0 * 1998 -0 4-0 1 10 50 947 934 7 33*56 2 * 50 0 * 1998 -0 4-0 6 10 35 97 1 944 8 2 7 6 33 50 4* 1998 -0 5-15 14 40 939 912 7 946 0 3 50 6 * 1998 -0 6 -0 9 14 30 937 918 8 0 5 6 2 5 548 空仓数据 8 95 8 7 3 7 34558 497 * 该极板无煤粉，仓体结构为钢筋混凝土. 表2 14号炉东南仓检测数据 T a b l e 2 T h e m e a s u r i n g d a t a o f s o u t h e a s t t a n k o f No . 14 p F 日期时间 极 板 号 1371417 1998 -0 9-2 814 0 0 7 8 9 8 0 1 6 92 47 9*40 6 * f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 4. h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 0 中国矿业大学学报990 32 4 1998 -0 9-2 9 0 9 55 8 0 0 8 186 6 9 52 0 40 9* 1998 -10 -0 3 12 2 0 7 99 8 186 6 8 555 451 1998 -10 -0 3 19 40 7 95 8 0 5 6 7 0 538 40 7 * 1998 -10 -0 6 0 0 0 0 8 0 2 8 0 87 3848 0 * 40 6 * 空仓数据 7 187 37 6 2 2 48 0 40 6 * 该极板无煤粉，仓体结构为钢板焊接. 从记录数据可以看出 1 极板间无煤粉时，检测数据基本与空仓数据一致. 呈现的微小变化是受空气潮湿 度的影响，所以以空仓数据作为判别标准是合理可行的. 2 极板间无煤粉时的检测数据基本稳定，说明传感器结构设计合理，结构参数稳 定，能长时适应现场的环境. 3 煤粉干湿度不同及煤质变化时，影响极板间有粉时的电容量. 4 煤粉密度不同（粉仓底部煤粉受挤压而密度大），影响极板有粉时的电容量. 5 制粉时，粉仓呈迷雾状，对电容量变化影响不大，接近于空仓电容，所以弥漫 粉尘不影响传感器正常工作. 6 当有局部湿粉时，随着湿粉的下降，遇湿粉的极板电容变化就特别大（如表1中 3月2 8 日7 号极板数据），在湿粉排出之后，极板的电容变化量就恢复正常. 5 结 语 现场安装运行结果表明，煤粉仓料位检测系统满足了机组运行对煤粉仓料位检测 的要求，定点小电容传感器能适应现场的恶劣环境. 作为一种料位检测传感器，它同样 适用于谷物水泥等颗粒状及粉末状物料的检测，有着广泛的用途. 但现在的传感器为独 根钢管，长度较长，给运输和安装带来不便，有待进一步改进. 作者简介 宗伟林，男，196 3年生，工程师 作者单位中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 李满林. 煤粉仓粉位测量方法介绍. 黑龙江电力技术，1990 5 42 ～59 2 邓先明，宗伟林，赵英麟. 煤粉仓料位检测系统. 煤矿自动化，1997 增刊 140 ～142 3 冯慈璋. 电磁场（第二版）. 北京高等教育出版社，198 4. 31～2 2 4 俞大光. 电工基础（下册）. 北京人民教育出版社，196 3. 46 ～48 收稿日期 1998 －10 －16 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 4. h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 0