本發(fā)明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(guān)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(shè)定方法。

背景技術(shù)：

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(gè)人經(jīng)驗(yàn)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(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。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(gè)冶煉參數(shù)是十分關(guān)鍵的，而對于這些關(guān)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(jì)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(diǎn)3D檢測系統(tǒng)可粗略測定礦熱爐參數(shù)；磁場單點(diǎn)3D檢測系統(tǒng)由3D探頭、微控制器(MCU)、PC機(jī)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(jī)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(jī)。

任何一個(gè)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，其信息傳輸延遲時(shí)間是不可避免也是不容忽略的，分析磁場單點(diǎn)3D檢測系統(tǒng)的單次采樣及處理時(shí)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(zhuǎn)換以及微處理器所需的時(shí)間。在實(shí)際工程問題中，T_S1、T_S2、T_S3及T_S5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(shí)間就越長，一般轉(zhuǎn)換一次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間T_S4≈3～5s。若僅考慮真有效值轉(zhuǎn)換時(shí)間T_S4，則T_SP≈T_S4≈3～5s。在磁場單點(diǎn)3D檢測方式中，若要獲取爐內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，需要采集若干點(diǎn)的信息，即每采樣一個(gè)點(diǎn)后，需要將探頭移動至下一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，則磁場單點(diǎn)3D檢測系統(tǒng)采樣N個(gè)點(diǎn)所需的時(shí)間T_NS如下式所示，T_NS＝N×T_SP+(N-1)×T_MOV，式中，N：采樣點(diǎn)數(shù)，T_MOV：磁場單點(diǎn)3D檢測系統(tǒng)在相鄰采樣點(diǎn)之間的移動時(shí)間。在工程實(shí)際問題中T_MOV≥3s。綜上所述，取T_SP(min)≈3s，T_MOV(min)≈3s，將此參數(shù)代入上式，可得磁場單點(diǎn)3D檢測系統(tǒng)采樣N個(gè)點(diǎn)所需時(shí)間的最小值T_NS(min)，T_NS(min)≈6N-3，由該式可知，采集時(shí)間T_NS隨采樣點(diǎn)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(diǎn)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(shí)地反映爐況。另外，磁場單點(diǎn)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(gè)方面：(1)由于機(jī)械設(shè)備抖動等原因，移動過程中很難保證基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面統(tǒng)一；(2)移動的機(jī)械設(shè)備難以長期保持采樣點(diǎn)距離均勻；(3)機(jī)械式的移動會使測試機(jī)構(gòu)的故障率增加；(4)考慮到測試精度以及后期的維護(hù)工作，對移動機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度要求較高；

綜上所述，磁場單點(diǎn)3D檢測系統(tǒng)存在著較大的局限性，難以滿足實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場測量的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明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(shè)定方法，與單點(diǎn)3D檢測方法相比，陣列傳感檢測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精度均大幅提高，后期維護(hù)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。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)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(jī)，微控制器MCU和PC機(jī)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(gè)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(gè)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(shè)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(dá)熔池內(nèi)，在熔池液面處形成熔池電流回路，設(shè)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(shè)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(diǎn)，P₁測量原點(diǎn)位于中垂線上；

第三步：以P₁測量原點(diǎn)為原點(diǎn)O，在原點(diǎn)O所在的三維坐標(biāo)z軸上取若干點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，離P₁測量原點(diǎn)最近的熔池電流直線通路在檢測點(diǎn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量如下式所示：式中，μ₀為真空的磁導(dǎo)率，單位為H/m，L為熔池電流直線通路的長度，h為檢測點(diǎn)的高度，R為檢測點(diǎn)到熔池電流直線通路起點(diǎn)或終點(diǎn)的距離，a為P₁測量原點(diǎn)到熔池電流直線通路的距離，r為檢測點(diǎn)到熔池電流直線通路的距離；

第四步：設(shè)定檢測系統(tǒng)中3D探頭的分辨率為δ，當(dāng)檢測點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量|△B|<δ時(shí)，3D探頭已無法識別之，故取|△B|＝δ，中間參數(shù)間距△h的表達(dá)式如下式：

第五步：根據(jù)中間參數(shù)間距△h的表達(dá)式可知，在檢測點(diǎn)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率最大值|B′(h)|_max所在的點(diǎn)，對采樣間距的要求最為苛刻，即要求△h的值最小，故檢測點(diǎn)空間采樣間距d應(yīng)滿足檢測點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量隨檢測點(diǎn)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△h_min，最后根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)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(fā)明提出一種非接觸式磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)，與單點(diǎn)3D檢測相比，磁場陣列檢測的實(shí)時(shí)性和精度均大幅提高，后期維護(hù)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I_AC的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

圖4為B的分布特性及△B與△h的關(guān)系圖。

圖5為磁場單點(diǎn)3D檢測系統(tǒng)的示意圖。

圖6為本發(fā)明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(shí)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(jī)，微控制器MCU和PC機(jī)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(gè)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(gè)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(shè)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I_A、I_B、I_C，電極電流I_A、I_B、I_C經(jīng)電弧區(qū)到達(dá)熔池內(nèi)，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(jù)電磁場理論，建立礦熱爐磁場輻射模型，設(shè)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(diǎn)，P₁測量原點(diǎn)位于中垂線上，設(shè)定離P₁測量原點(diǎn)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(diǎn)為原點(diǎn)O，在原點(diǎn)O所在的三維坐標(biāo)z軸上取S₁、S₂、…、S_m、…、S_i若干點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，電流I_AC在檢測點(diǎn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量如下式所示：式中，μ₀為真空的磁導(dǎo)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(diǎn)的高度，R為檢測點(diǎn)到熔池電流直線通路起點(diǎn)或終點(diǎn)的距離，a為P₁測量原點(diǎn)到熔池電流直線通路的距離，r為檢測點(diǎn)到熔池電流直線通路的距離，其中r²＝h²+a²，P₁測量原點(diǎn)位于中垂線上，故檢測點(diǎn)到熔池電流直線通路起點(diǎn)或終點(diǎn)的距離相同，

第四步：依數(shù)字化成像檢測技術(shù)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(shí)，但過多的冗余會造成資源浪費(fèi)。設(shè)h_i、h_i+1分別表示檢測點(diǎn)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(yīng)強(qiáng)度，令△h＝h_(i+1)-h_i，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量△B＝B_(i+1)-B_i，則B的分布特性及△B與△h的關(guān)系如圖4所示。圖4中檢測點(diǎn)S_i處的切線為S_iT，根據(jù)微分學(xué)中非線性函數(shù)局部線性化的基本思想方法，在檢測點(diǎn)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(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)B′(h)≠0，且△h相對于檢測點(diǎn)P₁到電流I_AC通路的距離a很小時(shí)，則近似有|△B|≈dB＝|B′(h)|△h。設(shè)定檢測系統(tǒng)中3D探頭的分辨率為δ，當(dāng)檢測點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量|△B|<δ時(shí)，3D探頭已無法識別之，故取|△B|＝δ，中間參數(shù)間距△h的表達(dá)式如下式：

第五步：根據(jù)中間參數(shù)間距△h的表達(dá)式可知，在檢測點(diǎn)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率最大值|B′(h)|_max所在的點(diǎn)，對采樣間距的要求最為苛刻，即要求△h的值最小，故檢測點(diǎn)空間采樣間距d應(yīng)滿足檢測點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量隨檢測點(diǎn)高度h的變化率B′(h)如下式所示，由于檢測點(diǎn)在爐外，故取μ₀＝4π×10^-7H/m，同時(shí)有I_AC≈40kA，結(jié)合現(xiàn)場的環(huán)境條件，取a≈8.5m，L_AC≈1.6m，將這些參數(shù)代入上式，可得磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大變化率如下式所示，本發(fā)明中設(shè)定3D探頭的分辨率為δ＝12mGs(硬件開發(fā)一旦完成，則δ為常數(shù))，則有根據(jù)上式，只要d≤11.5cm，即可檢出所需信號，再考慮到硬件設(shè)計(jì)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(tǒng)的檢測方式下，不存在移動時(shí)間，且子控制器同時(shí)采集數(shù)據(jù)，其延遲時(shí)間T_NA相當(dāng)于單點(diǎn)3D檢測單次采集及處理時(shí)間T_SP，T_NA≈T_SP，由此可知，磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)檢測方式下的采集周期T_NA≈3～5s，且基本與采樣點(diǎn)數(shù)N無關(guān)，其實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)優(yōu)于磁場單點(diǎn)檢測方式。另外，陣列檢測方式不存在機(jī)械機(jī)構(gòu)的移動問題，且保證了采樣距離的均勻性以及基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線的統(tǒng)一性，機(jī)械連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后期維護(hù)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(tǒng)現(xiàn)場測試圖如圖7所示，將磁場陣列傳感檢測系統(tǒng)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(tǒng)距爐壁約6m。圖7中，3D探頭S₁處下方10cm處為檢測原點(diǎn)o，陣列涵蓋電極末端，測量完成后進(jìn)行系統(tǒng)輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度間關(guān)系的標(biāo)定。