CN110617900B - 一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置及测量方法，链篦机篦床位于封闭空间内，所述链篦机篦床上放置移动的球团料层，所述封闭空间壁面安装超声波收发模块和超声波接收模块，工控机用于控制超声波收发模块发射超声信号和处理超声波收发模块与超声波接收模块接受到的超声信号；所述工控机根据超声波收发模块与超声波接收模块接受到的超声信号得出超声波在球团料层的传播速度；所述工控机根据球团直径、球团湿度、球团类别、空气介质温度和超声波传播速度得出超声波传播路径上球团料层的平均温度。本发明使用超声波非接触式的方法，既得出空气介质温度，又直接推算出超声波传播路径上球团的平均温度，测量结果准确可靠。

Description

一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及冶金工业测控技术领域，特别涉及一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置及测量方法。

背景技术

钢铁冶炼中的链篦机-回转窑球团生产工艺能提高冶炼产品质量和保护冶炼设备，节能环保，生产的球团矿料抗压强度高、质量均匀、能耗及生产成本低，规模效益明显。链篦机内为温度从常温到1050°，温度交变，且温度梯度场受到气压场、气流场、篦床及球团移动速度等多物理场相互耦合，对篦床及球团温度检测与控制难度十分巨大。而其检测与控制是否有效，对球团生产质量和篦床寿命影响大。其中，球团温度测量是其温度控制基础。生产实践发现，温度控制不稳定，将导致球团在干燥阶段产生爆裂而产生粉粒，影响球团的产量并污染环境；在预热阶段温度不满足要求，球团不能完全氧化，影响球团的质量；同时链篦机运行部件的寿命将大大下降。故实现对链篦机球团温度的准确测量，对链篦机高效安全生产具有重要意义。

目前链篦机内球团温度多由间接测量得出，使用热电偶测量链篦机内空气的温度，之后结合数学模型，计算推理得出球团温度。链篦机内多物理场耦合错综复杂，数学模型较难建立，故得出的球团温度误差较大。如：球团链篦机篦床温度场间接监控方法及装置，其将热电偶测温传感器安装在球团链篦机篦床的热风箱两侧，对球团链篦机篦床的回转窑和环冷机的热风温度进行连续检测，此装置通过检测热风箱的热风温度，对链篦机篦床温度场进行了间接测量，没有对链篦机内球团温度进行直接测量，测量不够准确，误差较大。

研究发现，利用超声波在不同温度的传播介质中传播速度不同的特性，可直接测量传播介质的平均温度。如：一种基于声波测温的温控系统，通过超声波在不同温度的空气中传播速度不同，来测量温控冷藏箱中空气的温度，具有精度高，实时测量，方便维护等优点。但其测温对象为空气，超声波在空气中传播的速度与空气温度的关系是已知的，而超声波在不同型号球团中的传播速度与温度的关系，目前还没有资料提及，故不能直接将此方法应用于球团的测温中。

超声测温方法及超声水温仪，通过向被测水体发射一定频率的超声脉冲波，并使之在定距离内多次反射，测出设定反射次数所经历的时间，求得超声波的传播速度，进而根据声速与水温的关系得到被测水体的温度，但是其未考虑水体组分对声速的影响，误差较大，且不能直接应用于链篦机内多物理场相互耦合的环境中测量球团温度。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置及测量方法，使用超声波非接触式的方法，使用神经网络模型，离线训练得到超声波透射穿过不同球团料层的时间与球团温度的关系，既可得出空气介质温度，又可直接推算出超声波传播路径上球团的平均温度，结构简单，测量结果准确可靠。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置，链篦机篦床位于封闭空间内，所述链篦机篦床上放置移动的球团料层，所述封闭空间壁面安装超声波收发模块和超声波接收模块，所述超声波收发模块用于发射超声脉冲信号和接收被球团料层反射的超声波信号；所述超声波接收模块用于接收穿过球团料层的超声波透射信号；

工控机用于控制超声波收发模块发射超声信号和处理超声波收发模块与超声波接收模块接受到的超声信号；

所述工控机根据超声波收发模块与超声波接收模块接受到的超声信号得出超声波在球团料层的传播速度c_p；

所述工控机根据球团直径D、球团湿度H_p、球团类别C、空气介质温度T₁和超声波传播速度c_p得出超声波传播路径上球团料层的平均温度T₃。

进一步，所述超声波收发模块与超声波接收模块对称安装在平行于篦床前进方向两侧的同一水平横截面的封闭空间上。

进一步，所述工控机通过控制功率放大器，用于使所述超声波收发模块发出设定的超声信号。

进一步，所述超声波收发模块和超声波接收模块置于各自的隔热箱中，且所述超声波收发模块的探头和超声波接收模块的探头分别涂有隔热层，用于防护探头。

进一步，所述隔热箱内设有冷却液，所述冷却液与水冷装置导通。

一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置的测量方法，包括如下步骤：

通过神经网络构建超声波在球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层平均温度T₃的关系的数学模型：

c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃)

其中：

D为球团直径，mm；

H_p为初始球团湿度；

C为球团类别；

T₁为空气介质温度，K，其中

式中：m为传播气体分子量，空气为28.8×10^-3kg·mol^-1；r为传播气体定压热容与定容热容的比值，对于空气为1.40；R为传播气体普适常量，8.314kg·mol^-1·K^-1；

c_p为超声波传播速度，m/s；

T₃为超声波传播路径上球团料层平均温度，K；

所述工控机根据超声波收发模块发送超声信号的时间t₁、所述超声波收发模块接收到超声信号的时间t₂和所述超声波接收模块接收到超声信号的时间t₃得出超声波在球团料层中的传播速度c_p，具体为：

其中：

L1为超声波收发模块与球团料层的距离，m；

L2为超声波接收模块与球团料层的距离，m；

L3为球团料层的宽度，m；

t₁为超声波收发模块发送超声信号的时间，s；

t₂为所述超声波收发模块接收到超声信号的时间，s；

t₃为所述超声波接收模块接收到超声信号的时间，s；

c_p为超声波在球团料层中的传播速度，m/s；

所述工控机根据球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层平均温度T₃的关系的数学模型，通过超声波在球团料层中的传播速度c_p计算得出超声波传播路径上球团料层平均温度T₃。

进一步，所述通过神经网络构建超声波在球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层平均温度T₃的关系的数学模型，具体为：

通过热电偶测量球团料层静止状态下超声波传播路径上球团料层的平均温度T₃′，

将球团直径D、初始球团湿度H_p、球团类别C、空气介质温度T₁和球团料层静止状态下超声波传播路径上球团料层的平均温度T₃′作为输入层输入工控机内的BP神经网络，S型生长曲线作为BP神经网络的传递函数，BP神经网络的输出为超声波在球团中的传播速度c_p；

选取多种型号的球团进行重复试验获得训练集和测试集，将训练集和测试集的数据输入BP神经网络，通过不断更新神经网络各层之间的权值和阈值；神经网络训练完成后，可得出超声波在球团料层中的传播速度c_p与球团料层静止状态下超声波传播路径上球团料层的平均温度T₃′的关系的数学模型为：

c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃′)

超声波传播路径上球团料层平均温度T₃代替球团料层静止状态下超声波传播路径上球团料层的平均温度T₃′，得出c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃)。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置，使用非接触式的超声波测温方法，可以对链篦机内球团温度进行直接测量，实现了链篦机球团温度实时在线测量功能。

2.本发明所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置的测试方法，使用BP神经网络，建立了作为超声波传播介质的球团的数学模型。球团直径D直接影响球团料层的孔隙率(即超声波传播路径中球团料层之间空气的占比)，且直径大小较易得到；球团湿度H_p代表了球团料层中水分的含量；球团类别C用于区分不同成份(氧化铁的含量等参数)的球团；空气介质温度T₁影响球团干燥的速率；超声波传播路径上球团的平均温度T₃直接影响超声波传播的速度。以上特征量均为影响超声波在球团料层中传播速度的主要参数，故选取球团直径D、球团湿度H_p、球团类别C、空气介质温度T₁和超声波传播路径上球团的平均温度T₃做为神经网络输入层的五个神经神经节点，超声波传播速度c_p作为输出层的一个神经节点。

附图说明

图1为本发明所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置原理图。

图2为本发明所述的超声波收发模块和超声波接受模块安装示意图。

图3为本发明所述的测量方法流程图。

图中：

1-超声波接收模块；2-链篦机篦床；3-信号调理器；4-数据采集卡；5-工控机；6-功率放大器；7-球团料层；8-超声波收发模块；9-隔热箱；10-隔热层；11-链篦机外壳；12-水冷装置；13-排水管。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置，链篦机篦床2位于链篦机外壳11内，所述链篦机篦床2上放置移动的球团料层7，所述链篦机外壳壁面安装超声波收发模块8和超声波接收模块1；所述工控机5发出指令给所述功率放大器6；所述功率放大器6驱动所述超声波收发模块8发射超声脉冲信号；所述超声波收发模块8的电磁线圈每秒钟产生10次的微秒长脉冲，在磁限制元件里，可以形成声脉冲；超声脉冲信号遇到球团料层7后产生反射声波和透射声波；反射声波从球团料层7返回，在空气中传播后被超声波收发模块8接收，超声波收发模块8将反射声波转换成电压信号；透射声波穿过球团料层7和空气层被超声波接收模块1接收，超声波接受模块1将透射声波转换成电压信号；所述电压信号经信号调理器3处理后送入数据采集卡4；所述数据采集卡4将电压信号转换成数字信号并传递给所述工控机5；

所述工控机5通过记录超声波收发模块8发送超声信号的时间t₁，超声波收发模块8接收到超声信号的时间t₂，超声波接收模块1接收到超声信号的时间t₃，单位均为s；测出超声波收发模块8与球团料层7的距离L1，超声波接收模块1与球团料层7的距离L2，球团料层7的宽度L3，单位为m；

如图2所示，所述超声波收发模块8与超声波接收模块1对称安装在平行于篦床前进方向两侧的同一水平横截面的封闭空间上。所述超声波接受模块1，超声波收发模块8置于各自的隔热箱9中，且超声波发射和接收探头涂有隔热材料作为隔热层10，用于防护探头；所述隔热箱9安装在垂直与篦床运行方向的同一直线上，且与球团料层位于同一水平面，固定在链篦机外壳11侧壁的壁孔中。所述水冷装置12通过排水管13降低所述隔热箱内的温度，防止所述超声波装置温度过高。

如图3所示，本发明所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S01：通过神经网络构建超声波在球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层7平均温度T₃的关系的数学模型：

c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃)

其中：

D为球团直径，mm；

H_p为初始球团湿度；

C为球团类别；

T₁为空气介质温度，K，其中

式中：m为传播气体分子量，空气为28.8×10^-3kg·mol^-1；r为传播气体定压热容与定容热容的比值，对于空气为1.40；R为传播气体普适常量，8.314kg·mol^-1·K^-1；

c_p为超声波传播速度，m/s；

T₃为超声波传播路径上球团料层7平均温度，K；

建立通过神经网络构建超声波在球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层7平均温度T₃的关系的数学模型的过程如下：

由于移动中的球团温度无法直接测得，但若球团料层不移动，便可通过热电偶直接接触球团，来测得球团温度，且超声波在球团中的传播速度与球团是否移动无关。因此可通过测量球团静止状态的温度及超声波在球团中的传播速度，来得到神经网络的训练集和测试集的数据。通过热电偶测量球团料层7静止状态下超声波传播路径上球团料层7的平均温度T₃′，将球团直径D、初始球团湿度H_p、球团类别C、空气介质温度T₁和球团料层7静止状态下超声波传播路径上球团料层7的平均温度T₃′作为输入层输入工控机5内的BP神经网络，S型生长曲线作为BP神经网络的传递函数，BP神经网络的输出为超声波在球团中的传播速度c_p；选取多种型号的球团进行重复试验，获得500组数据，其中300组作为训练集，200组作为测试集。将训练集和测试集的数据输入BP神经网络，通过不断更新神经网络各层之间的权值和阈值；神经网络训练完成后，可得出超声波在球团料层7中的传播速度c_p与球团料层7静止状态下超声波传播路径上球团料层7的平均温度T₃′的关系的数学模型为：

c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃′)

超声波传播路径上球团料层7平均温度T₃代替球团料层7静止状态下超声波传播路径上球团料层7的平均温度T₃′，得出c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃)。

S02：工控机控制超声波收发模块发射超声脉冲，记录发射时间t₁；

S03：超声波收发模块发射超声脉冲，遇到球团料层产生反射声波和透射声波；

S04：超声波收发模块接收到反射声波并记录时间t₂，超声波接收模块接收到透射声波并记录时间t₃；

S05：所述工控机5根据超声波收发模块8发送超声信号的时间t₁、所述超声波收发模块8接收到超声信号的时间t₂和所述超声波接收模块1接收到超声信号的时间t₃得出超声波在球团料层7中的传播速度c_p，具体为：

超声波收发模块8与超声波接收模块1之间空气介质大多分布在L1和L2区域，其中球团料层区域间隙减小，空气介质忽略不计，故超声波在空气介质中的传播时间t_a为：

故超声波在球团料层中的传播时间t_p为：

超声波在球团料层中的传播时间c_p为：

其中：

L1为超声波收发模块8与球团料层7的距离，m；

L2为超声波接收模块1与球团料层7的距离，m；

L3为球团料层7的宽度，m；

t₁为超声波收发模块8发送超声信号的时间，s；

t₂为所述超声波收发模块8接收到超声信号的时间，s；

t₃为所述超声波接收模块1接收到超声信号的时间，s；

c_p为超声波在球团料层7中的传播速度，m/s；

所述工控机根据球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层7平均温度T₃的关系的数学模型，通过超声波在球团料层7中的传播速度c_p计算得出超声波传播路径上球团料层7平均温度T₃。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超声波的链篦机球团温度实时测量的测量方法，链篦机篦床(2)位于封闭空间内，所述链篦机篦床(2)上放置移动的球团料层(7)，所述封闭空间壁面安装超声波收发模块(8)和超声波接收模块(1)，超声波收发模块(8)用于发射超声脉冲信号和接收被球团料层(7)反射的超声波信号；超声波接收模块(1)用于接收穿过球团料层(7)的超声波透射信号；其特征在于，包括如下步骤：

通过神经网络构建超声波在球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层(7)平均温度T₃的关系的数学模型：

c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃)

其中：

D为球团直径，mm；

H_p为初始球团湿度；

C为球团类别；

T₁为空气介质温度，K，其中

式中：m为传播气体分子量，空气为28.8×10^-3kg·mol^-1；r为传播气体定压热容与定容热容的比值，对于空气为1.40；R为传播气体普适常量，8.314kg·mol^-1·K^-1；

c_p为超声波传播速度，m/s；

T₃为超声波传播路径上球团料层(7)平均温度，K；

工控机(5)根据超声波收发模块(8)发送超声信号的时间t₁、所述超声波收发模块(8)接收到超声信号的时间t₂和所述超声波接收模块(1)接收到超声信号的时间t₃得出超声波在球团料层(7)中的传播速度c_p，具体为：

其中：

L1为超声波收发模块(8)与球团料层(7)的距离，m；

L2为超声波接收模块(1)与球团料层(7)的距离，m；

L3为球团料层(7)的宽度，m；

t₁为超声波收发模块(8)发送超声信号的时间，s；

t₂为所述超声波收发模块(8)接收到超声信号的时间，s；

t₃为所述超声波接收模块(1)接收到超声信号的时间，s；

c_p为超声波在球团料层(7)中的传播速度，m/s；

所述工控机根据球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层(7)平均温度T₃的关系的数学模型，通过超声波在球团料层(7)中的传播速度c_p计算得出超声波传播路径上球团料层(7)平均温度T₃。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量的测量方法，其特征在于，所述通过神经网络构建超声波在球团中的传播速度c_p与超声波传播路径上球团料层(7)平均温度T₃的关系的数学模型，具体为：

通过热电偶测量球团料层(7)静止状态下超声波传播路径上球团料层(7)的平均温度T₃'，

将球团直径D、初始球团湿度H_p、球团类别C、空气介质温度T₁和球团料层(7)静止状态下超声波传播路径上球团料层(7)的平均温度T₃'作为输入层输入工控机(5)内的BP神经网络，S型生长曲线作为BP神经网络的传递函数，BP神经网络的输出为超声波在球团中的传播速度c_p；

选取多种型号的球团进行重复试验获得训练集和测试集，将训练集和测试集的数据输入BP神经网络，通过不断更新神经网络各层之间的权值和阈值；神经网络训练完成后，可得出超声波在球团料层(7)中的传播速度c_p与球团料层(7)静止状态下超声波传播路径上球团料层(7)的平均温度T₃'的关系的数学模型为：

c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃')

超声波传播路径上球团料层(7)平均温度T₃代替球团料层(7)静止状态下超声波传播路径上球团料层(7)的平均温度T₃'，得出c_p＝f(D,H_p,C,T₁,T₃)。

3.一种根据权利要求1所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量的测量方法的装置，其特征在于，所述封闭空间壁面安装超声波收发模块(8)和超声波接收模块(1)，所述超声波收发模块(8)用于发射超声脉冲信号和接收被球团料层(7)反射的超声波信号；所述超声波接收模块(1)用于接收穿过球团料层(7)的超声波透射信号；

工控机(5)用于控制超声波收发模块(8)发射超声信号和处理超声波收发模块(8)与超声波接收模块(1)接受到的超声信号；

所述工控机(5)根据超声波收发模块(8)与超声波接收模块(1)接受到的超声信号得出超声波在球团料层(7)的传播速度c_p；

所述工控机(5)根据球团直径D、球团湿度H_p、球团类别C、空气介质温度T₁和超声波传播速度c_p得出超声波传播路径上球团料层(7)的平均温度T₃。

4.根据权利要求3所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量的测量方法的装置，其特征在于，所述超声波收发模块(8)与超声波接收模块(1)对称安装在平行于篦床前进方向两侧的同一水平横截面的封闭空间上。

5.根据权利要求3所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量的测量方法的装置，其特征在于，所述工控机(5)通过控制功率放大器(6)，用于使所述超声波收发模块发出设定的超声信号。

6.根据权利要求3所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量的测量方法的装置，其特征在于，所述超声波收发模块(8)和超声波接收模块(1)置于各自的隔热箱(9)中，且所述超声波收发模块(8)的探头和超声波接收模块(1)的探头分别涂有隔热层(10)，用于防护探头。

7.根据权利要求6所述的基于超声波的链篦机球团温度实时测量的测量方法的装置，其特征在于，所述隔热箱(9)内设有冷却液，所述冷却液与水冷装置(12)导通。

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