CN102788626B - 一种非接触式检测料仓料位的电磁波开关及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式检测料仓料位的电磁波开关，其特征在于所述开关包括定向电磁波发射单元（1）和磁波接收单元（2），所述磁波发射单元（1）和定向电磁波接收单元（2）位于料仓所需测量高度的同一水平高度，所述电磁波发射器（1）和电磁波接收器（2）分别安装于料仓外部的两侧的料仓壁（3）上，定向电磁波发射单元（1）和定向电磁波接收单元（2）之间构建一电磁波通道（4）。本发明的技术方案和中国专利CN102322920A所公开的超声波技术方案相比，其不受介质温度的影响，与仓壁的厚度关系不大，不需要使用粘合剂等附加售后保障工作。

Description

一种非接触式检测料仓料位的电磁波开关及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测料位领域，具体是一种非接触式检测料仓料位的电磁波开关及其检测方法，尤其是用于以非金属材料或金属外壳，非金属内衬作仓壁的料仓和容器中，料位检测方法与装置。

背景技术

在工业生产中，许多料仓广泛应用于存储原材料，生产中间体和成品，及其生产过程的仓体或容器。对料仓内的储料状况，即料位，一般都需要测量，其中一种方式为连续性测量，另一种为上、下限限位测量。

料位连续性测量是对料仓内的物料料位值进行连续性测量。

料仓料位测量的另一种方式称为上、下限限位测量，是指在料仓上设置上、下二个限位点，通过测量料位有没有到达该测量点，从而能将物料能控制在两个限位点中间，这种检测限位点所设的判断物料是否到达的传感器称为料位开关。其当上限料位开关检测到有物料时，说明仓内料位很高，其发出开关信号给系统控制器，系统控制器可通过组织加快排料和减少进料的方法，使仓内料位下降。当下限料位开关检测到物料没有到达时，也相应地发出开关信号到系统控制器，系统控制器可通过组织增加进料和减少排料，使仓内料位上升。由此，上、下限料位开关的检测可起对极限料位进行报警的作用。

在现有的料位开关检测技术中，通常使用的是接触式料位开关，其主要有音叉料位开关，阻旋料位开关，电容式料位开关，射频导纳料位开关。

这些接触式料位开关的共同点是必须在限位检测点开孔安装，其检测感应元件必须和被测物料接触，由此会带来使用寿命短，维护困难等一系列问题，特别是在高温和有腐蚀等特殊场合下，其使用受到很大的限制。

目前实际应用的非接触式料位开关是γ射线法，但是由于其产生射线对人体有害的辐射，所以一直处于国家标准限制性使用。

而中国专利CN102322920A所公开的技术方案中，利用超声波作为非接触式的料位开关，其能解决一些料仓料位检测。但由于超声波是机械波，其波速随温度变化而变化，所以在高温及温度变化较大的工况下，物料检测就存在问题。而且对仓壁有内衬，外壁和内衬有间隙的场合也不宜使用。使用中，同时存在需 要不断加粘合剂的维护工作。

发明内容

为了克服现有技术的以上缺陷，本发明是提供一种非接触式检测料仓料位的电磁波开关及其检测方法，其能够便捷地判断料仓内的物料是否达到料仓设定点。

本发明的技术方法为：

一种非接触式检测料仓料位的电磁波开关，所述开关包括定向电磁波发射单元1和磁波接收单元2，所述磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2位于料仓所需测量高度的同一水平高度，所述电磁波发射器1和电磁波接收器2分别安装于料仓外部的两侧的料仓壁3上，定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2之间构建一电磁波通道4。

所述料仓壁3为金属外壳或金属外壳非金属内衬。

所述定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2使用的电磁波频率0.1-5GHZ。

所述定向电磁波发射单元1包括电磁波发射电路1-1、与电磁波发射电路1-1连接的天线1-2、电源接口1-3和调试串口1-4。

所述定向电磁波接收单元2包括电磁波接收电路2-1、分别与电磁波接收电路2-1连接的天线2-2和中央处理器2-3，以及与中央处理器2-3连接的电源接口2-4、调试串口2-5和继电器2-6。

本发明还提供一种非接触式检测料仓料位的方法，在所述方法中将磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2位于料仓所需测量高度的同一水平高度，所述电磁波发射器1和电磁波接收器2分别安装于料仓外部的两侧的料仓壁3上，当料位没有到达所需测量高度的料位时，接收器能够收到来自发射器的一个较强的电磁波信号；当料位达到料仓设定的位置时，电磁波接收器收到一个较弱的电磁波信号或无法收到电磁波信号。

所述定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2使用的电磁波频率0.1-5GHZ。

在料仓所需测量点的相对两侧，分别安装一个电磁波定向发射装置和电 磁波定向接收装置，形成了一个电磁波通道。电磁波的频率，根据仓壁的材料与厚度及料仓的直径大小确定，可在0.1～5GHZ内选择。工作时，调整好发射器功率大小。当料位没有到达设定点的料位时，接收器能够收到来自发射器的一个较强电磁波信号；当料位达到料仓设定的位置时，来自发射器的电磁波必须穿过仓壁，且必须穿过物料的介质，此时，电磁波接收器收到的信号必然减弱，甚至无法收到。由此，可根据电磁波接收器收到信号的强弱对比，分别发出是否达到料位的开关电信号。

需要强调的是：本发明中使用的是小于5GHZ的电磁波，是充分利用了低频电磁波在非电介质中的低损耗性，确保检测的电磁波穿透非金属，并能运用低功率方式实现。

本发明的有益效果是：

本发明的技术方案和中国专利CN102322920A所公开的超声波技术方案相比，其不受介质温度的影响，与仓壁的厚度关系不大，不需要使用粘合剂等附加售后保障工作。

附图说明

图1：定向电磁波发射单元结构图。

图2：定向电磁波接收单元结构图。

图3：料位没到达测量点电磁波通道图。

图4：料位到达测量点电磁波通道图。

图5：料位没到达测量点电磁波穿过界面图。

图6：料位没到达测量点电磁波穿过界面图。

图7：金属外壳，非金属内衬仓测量图。

图8：实施案例图。

图9：电磁波穿过介质能量损耗与频律关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如图1至图8，一种非接触式检测料仓料位的电磁波开关，所述开关包括 定向电磁波发射单元1和磁波接收单元2，所述磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2位于料仓所需测量高度的同一水平高度，所述电磁波发射器1和电磁波接收器2分别安装于料仓外部的两侧的料仓壁3上，定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2之间构建一电磁波通道4。

料仓壁3为金属外壳或金属外壳非金属内衬。

定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2使用的电磁波频率0.1-5GHZ。

定向电磁波发射单元1包括电磁波发射电路1-1、与电磁波发射电路1-1连接的天线1-2、电源接口1-3和调试串口1-4。

定向电磁波接收单元2包括电磁波接收电路2-1、分别与电磁波接收电路2-1连接的天线2-2和中央处理器2-3，以及与中央处理器2-3连接的电源接口2-4、调试串口2-5和继电器2-6。

本发明还提供一种非接触式检测料仓料位的方法，在所述方法中将磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2位于料仓所需测量高度的同一水平高度，所述电磁波发射器1和电磁波接收器2分别安装于料仓外部的两侧的料仓壁3上，当料位没有到达所需测量高度的料位时，接收器能够收到来自发射器的一个较强的电磁波信号；当料位达到料仓设定的位置时，电磁波接收器收到一个较弱的电磁波信号或无法收到电磁波信号。

定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2使用的电磁波频率0.1-5GHZ。

根据电磁波的传播理论，电磁波具有波、粒两重性，电磁波在真空中以电和磁互相激励的方式，以光速C传播，传播没有能量消耗。

电磁波在介质中传播时，根据麦克斯韦方程组中，媒介与电特性有关的参数有电介常数ε，磁导率μ和电导率δ。其中，介电常数表示媒介质的极电性能，它描述了介质中束薄电荷在外加电场作用下的偏移性质，其一般用复数表示ε＝ε′-jε”。而，介电常数和磁导率μ又随电磁波的角频率ω变化而变化，即

ε＝ε(ω)，μ＝μ(ω)

根据平面电磁场理论，无界场与有媒质中，电磁波的电场表达式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\μ\ω}/2[\sqrt{1+{({\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}/{\mathrm{\ϵ}}^{\′})}^2}-1]}$

式中α为电磁波的衰减常数

因此看出，电磁波在介质中的能量衰减α与电磁波的角频率ω(频率f)有关。

在目前研究公布的电磁波穿过介质能量损耗与频率关系的仿真试验中，得出如图9所示的曲线。

在9以上曲线中，随着频率的升高，混凝土墙、砖墙的传输损耗上升最快，混凝土墙在3G时开始变化加大，砖墙在5G变化加大，在我们目前作为料仓内衬的非金属材料中，大部分为陶瓷基材料、混凝土材料、墙砖材料，玻纤材料、塑性材料，这些材料介电常数都在5-10之间。

由此，如果选择小于5G的电磁波，其穿透介质的能量更强，所需的功率更小，而选择电磁波频率＞0.1GHZ的电磁率，因＜0.1GHZ电磁波的窄波束定向较难实现，电磁波＜0.1GHZ不在常用的中华人民共和国无线频率管理中，难找到民用频道。所以，0.1-5GHZ的低频电磁波是本发明方案的选择。

为了实现这一技术方法，该具体实施方案如下：

该装置包含：定向电磁波发射单元1，定向电磁波接收单元2。在定向电磁波发射单元1中，有电磁波发射电路1-1，天线1-2，电源接口1-3，调试串口1-4。在定向电磁波接收单元2中，包括有，电磁波接收电路2-1，天线2-2，中央处理器2-3，电源接口2-4，调试串口2-5，继电器2-6。

定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2，安装在料仓的两外侧C、F，在要求测定点的同一高度H。

工作时，定向电磁波发射单元1穿过料仓的仓壁3-1，3-2，向对面定向电磁波接收单元2发射定向电磁波，构成电磁波的通道4，在料位没有到达设定的测量高度时，接收器接收到的电磁波量为M，当料位到达设定的高度时，电磁波的通道4中，除了3-1、3-2二个仓壁外，还有物料介质5.

电磁波的传播能量损耗是由传播损耗和界面损耗二部分组成的。

由于物料的介电常数大于空气的介电常数，所以，其在物料介质中传播的能量损耗，大于料位没有达到设定点时在空气中的损耗。

所谓界面损耗是指电磁波在穿过不同物料的界面时，会发生部分折射、反射。，在物料没有达到设定高度时，其电磁波通道内穿过了C、D、E、F四个界面(如图3)，而物料达到设定高度时，电磁波必须通过C、D、G、H、E、F六个界面。其界面损耗必然大于电磁波的通道没有物料时的损耗。

将料位没有达到设定点时接收到的电磁波强度设定为M，将料位到达设定点时接收到的电磁波强度设定为N。所以，当物料达到设定高度时，接收到的电磁波的能量N，远小于物料达到设定高度时，定向电磁波接收单元接收到的电磁波强度M。通过中央处理器，把在料位没有达到设定点的接收到的电磁波强度M，与料位到达设定点时电磁波强度N作比较，可在M和N中间设置一个阈值P，N＜P＜M。当中央处理器2-3被电磁波电路告知，接收到的电磁波强度大于P时，要求继电器发出一个0值对应开关电信号。当中央处理器2-3被电磁波电路告知，收到电磁波电路传递来的电磁波强度小于P时，中央处理器2-3向继电器2-6发出命令，继电器2-6发出1值的对应开关电信号。

在大部分工况下，仓壁的结构如图4所示，其外壳是金属材料6-1，内衬为非金属材料6-2，此时，我们的实施方案是：在金属外壳材料6-1的测量点高度，相对二侧开置两个孔X，Y，把安装定向电磁波发射单元1和定向电磁波接收单元2的接收天线1-2和发射天线2-2安装在孔中，在非金属材料和料仓内构成一个电磁波通道，此后时的测量方法和上述的非金属仓壁料仓的测量方法相同。

本发明采用低频电磁波穿过非金属仓壁的原理，通过在测量点构建低频电磁波的传输通道，运用了低频电磁波容易穿过非金属材料的特点，根据物料进入电磁波通道，将减弱电磁波的传输能量的现象，实现了一种新的非接触式的料仓料位开关。，该检测不受物料温度及物料其它特性的影响，测量元件不与物料接触，避免了物料等对测量的影响，防止物料对检测元件的腐蚀、磨损、冲击等损害，确保了设备的长寿命运行。

下面通过具体工况对本发明进行具体描述。

本发明的料位开关在炼铁厂的烧结矿仓的应用。用于检测对烧结矿仓的最高限料位报警。

该料仓为长方斗形结构，上部最宽八米，仓高为十二米，仓外壁为10mm厚的碳钢，内衬为壁厚为25mm的混凝土材料，。料仓需在料位为十米处设置最高限报警，防止满仓溢出。

具体实施方案是：

1.在料仓八米处的仓的外壁二侧X，Y处开二个￠300的孔，二孔相对，在孔口焊接一个￠300的铁管，并加￠300的法兰7-1，7-2。

2.电磁波发射器和接收器，分别连接固定在另一￠300法兰7-3，7-4上，用螺栓将7-1和7-3连接，7-2和7-4连接好。

3.考虑到混凝土的介电常数较大，厚度较厚，我们选用发射频率为960MHZ的电磁波。发射器的最大功率为30dbm。

4.工作时，定向电磁波发射单元1对面发射960MHZ的电磁波给定向电磁波接收单元2。构成包含6-1、6-2二个仓壁和仓内的电磁波通道4。

5.料位没有达到10米时。通过调整定向电磁波发射单元1的发射功率，使定向电磁波接收单元2收到的功率为-60dbm。

6.当料位到达10米时，定向电磁波接收单元2没收到定向电磁波发射单元1的发射的电磁波。

7.在中央处理器设置阈值为-70dbm。

8.此时，若接收到电路2-2收到的电磁波的功率大于-70dbm时，电路2-2将功率数据传递给中央处理器2-3，中央处理器2-3根据和阈值-70dbm的对比，会要求继电器2-6发出0值的对应开电信号。

若接收电路2-2收到的电磁波能量小于-70dbm，中央处理器2-3将接到的功率数和阈值-70dbm比较，此时要求继电器2-6发出1值的对应开关电信号。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (1)

1.一种非接触式检测料仓料位的电磁波检测方法，其特征在于包括以下步骤：将定向电磁波发射单元(1)和定向电磁波接收单元(2)位于料仓所需测量高度的同一水平高度，所述定向电磁波发射单元(1)和定向电磁波接收单元(2)分别安装于料仓外部的两侧的料仓壁(3)上，当料位没有到达所需测量高度的料位时，定向电磁波接收单元(2)能够收到来自定向电磁波发射单元(1)的一个较强的电磁波信号；当料位达到料仓设定的位置时，定向电磁波接收单元(2)收到一个较弱的电磁波信号；所述定向电磁波发射单元(1)和定向电磁波接收单元(2)使用的电磁波频率0.1-5GHZ；所述定向电磁波发射单元(1)和定向电磁波接收单元(2)位于料仓所需测量高度的同一水平高度，所述定向电磁波发射单元(1)和定向电磁波接收单元(2)分别安装于料仓外部的两侧的料仓壁(3)上，定向电磁波发射单元(1)和定向电磁波接收单元(2)之间构建一电磁波通道(4)；所述料仓壁(3)为金属外壳非金属内衬；所述定向电磁波发射单元(1)和定向电磁波接收单元(2)使用的电磁波频率0.1-5GHZ；所述定向电磁波发射单元(1)包括电磁波发射电路(1-1)、与电磁波发射电路(1-1)连接的天线(1-2)、电源接口(1-3)和调试串口(1-4)；所述定向电磁波接收单元(2)包括电磁波接收电路(2-1)、分别与电磁波接收电路(2-1)连接的天线(2-2)和中央处理器(2-3)，以及与中央处理器(2-3)连接的电源接口(2-4)、调试串口(2-5)和继电器(2-6)，将料位没有达到设定点时接收到的电磁波强度设定为M，将料位到达设定点时接收到的电磁波强度设定为N，在M和N中间设置一个阈值P，N＜P＜M，通过中央处理器，把接收到的电磁波强度与阈值作比较，当中央处理器(2-3)被电磁波电路告知，接收到的电磁波强度大于P时，要求继电器发出一个0值对应开关电信号，当中央处理器(2-3)被电磁波电路告知，接收到的电磁波强度小于P时，中央处理器(2-3)向继电器(2-6)发出命令，继电器(2-6)发出1值的对应开关电信号。