CN87101925A

CN87101925A - 速率检测装置

Info

Publication number: CN87101925A
Application number: CN 87101925
Authority: CN
Inventors: 颜尧樟
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1988-10-12

Abstract

一种速率检测装置，属于自动检测及控制技术，由敏感元件、变送器和速率运算单元组成，其中速率运算单元由输入回路、滤波器、比例放大及驱动回路，隔离耦合器，微分运算回路和功率放大器组成。用于实现对各种过程参数(如喷粉、温度升降、压力波动等)的瞬时变化速率进行满足一定精度的检测，以对过程实现自动控制或进行数据采集。

Description

本发明为一种速率检测装置，属于自动检测及控制技术领域，用于实现对各种过程参数（如喷粉、温度升降、压力波动等）的瞬时变化速率，进行满足一定精度的检测，据此指导操作，对过程实行自动控制或进行数据采集。

目前，国内外，还未能妥善解决对喷粉速率等进行连续、瞬时检测的问题，特别是较低速率的连续检测的问题。一般采用的方法，精度不高，反应不及时，如DT2612899A₁专利中给出测量粉料重量变化速率的方法，该方法是采用一台计算机，在送粉时采集运送容器的重量，并将在可选择的时间间隔内的重量变化值，除以所经过的时间，从而求出当时的运送能力（送粉速率）。但由于称重设备有一定的精度限制，当某时间间隔内，重量变化值（重量差值），与称重设备及计算机的模数转换部分的误差相差不大时，则上述运算结果，将很不可靠。例如，以喷粉速率为2.5%/分（即喷粉速率为称重设备称重范围的2.5%/每分钟）时，相当于0.042%/秒，而一般工业用称重设备的精度为0.5～1级，再加上计算机模数转换部分的精度影响，在此情况下，即使经过10秒钟，重量的变化仅为称重范围的0.42%，仍小于称重系统测量的允许误差（也就是说，称重读数本身的误差，将大于重量的变化），这时，以两次重量读数相减，不能真实地反映真实的重量变化。因此，如希望获得较可靠的测量结果，势必要延长计算机采样周期，同时采用多次平均等数字滤波方法，因而所获得的测试结果，时间滞后大，精度不高，技术复杂，不能满足工艺需要。而专利US4，488，837给出的粉料给料累计称重方法，仅能按预定时间测定自供料操作开始、到测定时止的粉料供给总重量，对指导供粉（喷粉）操作不及时，更无法实现供料（喷粉）速率的自动控制。

为此，本发明的速率检测装置采用速率运算单元，直接对模拟量进行连续的微分运算，从而求得各种过程参数的瞬时变化速率。

本发明的速率检测装置，由敏感元件、变送器、速率运算单元组成，当需要进行显示、记录时，可配备相应的显示记录设备。当需要进行自动控制时，则配置相应的控制设备和执行机构。

图1为速率检测装置的构成框图。

本发明的速率检测装置的工作原理为：敏感元件1感受各种过程参数（如重量、温度、压力等），敏感元件与变送器2一起，将被测参数转换成与之成线性关系的电信号（直流电流或电压），此电信号经速率运算单元3进行运算，以求得被测参数的变化速率，并输出一个与此速率成对应关系的电信号。此输出信号送至显示记录设备4，可显示，记录或打印被测参数的变化速率，以指导操作或进行数据收集，如与控制设备5和执行机构配合，可对被测参数的变化速率进行自动控制。

传统的微分器，一般用于自动调节系统，对被调参数进行微分运算，其运算结果反映了被调参数的变化速率，以此提供自动调节系统，作为微分（超前）信号，以改善调节系统的调节质量，但一般对微分运算的精度无严格要求，不能作为测量装置使用，尤其对于缓慢变化的参数，无法反映其变化速率。

为此，本发明的速率检测装置中，采用特殊设计的一种新的速率运算单元，它由输入回路，滤波器，比例放大及驱动回路，隔离耦合器，微分运算回路和功率放大器组成。该速率运算单元对被测参数进行微分运算，其结果反映出被测参数的变化速率，可用于喷粉速率检测和控制，各种工艺过程中的温度，压力等的升、降速率检测和控制。

图2为本发明的速率运算单元的结构框图，该速率运算单元的工作过程如下：

由变送器2送来的输入信号，一般为0～10mA，4～20mA或1～5V的直流信号，速率运算单元的输入回路6将此输入信号转换成对应的直流电压信号，此信号经过滤波器7滤波处理，再进行比例放大8，并经驱动回路9驱动，再经过隔离耦合器10耦合送至微分运算回路11，进行微分运算，然后经功率放大12并送出输出信号，此输出信号根据需要可以是0～10mA，4～20mA，0～10V，1～5V或其它范围的直流电流或电压信号。

图3是实现本发明的速率运算单元的一种电路图。

下面，结合电路图对速率运算单元的工作原理作进一步的描述;

由变送器送来的输入的直流电流信号，流经取样电阻R₀，以R₀上的电压降作为输入信号，由IC₁组成的有源滤波器对此输入信号进行滤波，IC₂进行比例放大，经复合管T₁，T₂驱动，再由具有铁淦氧罐形铁芯的变流器B变流，D₄～D₇组成的桥式整流器整流以及两级

形滤波器滤波，进行直流-交流-直流变换，实现了信号的隔离耦合。变流器所需的8KHZ左右的激励电压，由电源装置供给。IC₃以及R₁₆，C₅组成微分电路，C₅要求采用电容量十分稳定和高绝缘电阻的电容器，其电容量的变化和漏电，直接影响到运算精度，一般，其绝缘电阻应大于10，000MΩ·μF。为了补偿电容C₅漏电的影响，在微分电路中，附加有一个漏电补偿电路，由R₁₅，电位器 W₁和R₁₈组成，R₁₅与 W₁并联，其等效电阻为R₁₅// W₁，此并联支路与R₁₄串联，由耦合器引入的输入电流流经R₁₄和V_R15// W₁，在其上分别产生压降V_R14和V_R15// W₁，V_R14通过R₁₆，C₅和R₁₇引至IC₃的正、反向输入端（

端和端），作为微分电路的输入信号，同时，由 W₁的动触点选取V_R15// W₁的一部分，通过R₁₈引至IC₃的反向输入端，作为漏电补偿信号;漏电补偿电路的工作原理简述如下：

在不接漏电补偿电路时，即取消R₁₅， W₁（短路）和R₁₈（开路），由耦合器引入的输入电流直接接到R₁₄的两端，R₁₄上的压降V_R14作为微分电路的输入信号，而在V_R14的作用下，通过R₁₆和C₅的漏电电阻（绝缘电阻），将向IC₃的反向输入端注入电流，经IC₃放大而在IC₃的输出端出现一个附加的输出信号，此输出信号的大小，与V_R14的大小和C₅的漏电电阻有关，而与输入信号的变化率（微分）无关，形成微分电路微分运算的误差，影响微分运算以及速率运算单元运算的精度，尤其在输入信号变化率较低时，更为显著，当然，选用高绝缘电阻的电容C₅，可减少这一影响，但绝缘电阻总是有限的，故附加漏电补偿电路。

当接入漏电补偿电路后，在V_R14通过R₁₆和C₅漏电电阻向IC₃反向端注入电流的同时，由 W₁上选取的V_R15// W₁的一部分，通过R₁₈向该端注入一反向电流，此反向电流的大小与V_R15// W₁及 W₁滑动片的位置有关，由于V_R15// W₁与V_R14是同步变化的，故在配合适当时，可使上述正、反向的注入电流，互相抵消，从而避免或尽量减少在IC₃输出端出现由于C₅漏电而引起的附加误差，达到C₅漏电补偿的目的。

由于微分运算的输入信号，仍然是取自V_R14，故接入漏电补偿电路后，对微分运算的结果，并不发生影响，只是由于接入了R₁₈及R₁₅// W₁，使IC₃的输入电阻有所降低，但适当选取IC₃及漏电补偿电路各元件的参数，可使其对微分运算电路的工作，实际上并不造成显著影响，满足一定的运算精度的要求。

考虑到电容C₅的漏电电阻，还将随温度而变化，故R₁₅最好选用热敏电阻，经适当组合并与 W₁并联，使其等效电阻R₁₅// W₁的温度系数与C₅的漏电电阻的温度系数绝对值接近，而符号相反，则可进一步补偿由于C₅的漏电电阻随温度变化对微分运算精度的影响，从而保证在一定温度范围内，速率运算单元有足够的运算精度。

漏电补偿电路调试时，要求在K₁投向“校验”位置时，用 W₂调整IC₃的零位（使其输出为零），当K₁投向“测量”位置时，由输入端加入不同的恒定电流，调整 W₁，使输出为零，还应在不同的环境温度下进行上述调校，选配适当的R₁₅，以尽量补偿电容C₅的漏电的影响。

经微分后的信号送至复合管T₃，T₄，进行功率放大，从而获得0～10mA或0～10V的输出信号，输出电流流经R₂₅，R₂₆// W₃和R₂₇，由 W₃上取出反馈信号引至IC₃的反相输入端。为了适应不同量程的需要，由R₂₈～R₃₃组成分压电路，K₂切换至不同档位时，就调变了反馈系数的大小，从而调变了速率运算单元的量程。通过W₃，可实现量程的微调。

电源装置提供各级所需的稳压电源和8KHZ左右的激励电源。速率运算单元最好由24V稳压电源供电，经DC/AC/DC变换提供各级所需的稳压电源。并经DC/AC变换提供8KHZ左右的激励电源，以达到各组电源间的隔离，减少由电网引入的干扰，但也可根据需要改变供电方式。

当输入信号为1～5V、D、C、时，可将取样电阻R₀取消。当需要4～20mA、D、C、或1～5V、D、C的输出信号时，可增加电平移动电路或增加0～10mA/4～20mA的电流变换器。

图3给出的是检测输入信号的负向变化率的电路，即取微分运算的负值，可表示为：

I_出＝-K (dI入)/(dt) ;

式中：I_出、I_入分别为输出输入信号;

K为常数;

当需要检测输入信号的正向变化率时，其输出、输入信号之间的关系可表示为：

I_出＝K (dI入)/(dt) ;

这时，可更换复合管T₃，T₄的管型，即换成P-n-P型的管子，倒换D₈，D₉和C₆的联接极性，并倒换电源d-e的极性和输出端子的极性即可;

采用图3的电路，已制成速率运算单元样机，其主要技术指标如下：

1.输入信号：0～10mAD、C

2.输出信号：0～10mAD、C

3.输入电阻：200Ω

4.输出负载电阻：0～1KΩ

5.量程：0～2.5%/分～0～20%/分连续可调

注：量程以 (输入信号的变化)/(输入信号的量程) ×100%/分表示

6.运算精度：基本允许误＝满量程×1.5%

7.响应时间：＜30秒

8.环境温度：25℃±10℃运算误差为基本允许误差

5℃～25℃及35℃～45℃

附加运算误差＝基本允许误差

本发明的速率检测装置，已成功地应用于马鞍山钢铁公司的喷粉速率检测和控制系统中。

图4是采用该速率检测装置的喷粉速率检测和控制系统：

系统由喷粉罐（17），下粉伐（24），输送管道（30），荷重传感器（18），mV/mA变送器（19），速率运算单元（20），显示设备（21），控制设备（22）及执行器（23）等组成。其工作原理如下：

制粉和上料系统不断地向料仓（14）供给粉料，（14）中的粉料经钟伐（15）（或螺旋给料机）向喷粉罐（17）加入粉料，在此之前，应将放空伐（29）开启（由程控设备控制或手动操作），将（17）中残余气体放空直至其压力为零，然后将（29）关闭。（17）中的粉料连同其本体的重量。由负荷传感器（18）（一般为三只同时工作）检测，同时输出一个与（17）本体以及其中的粉料总重量相对应的毫伐信号mVw，由于（17）本体的重量是一个常数故通过调皮重装置〔附设于（19）中或单独设置〕，可将本体重量（皮重）的影响消除，（亦可采用记忆装置，记下空罐时的输出信号，并将其与装粉后的输出信号相减，从而消除皮重的影响），mVw信号经（19）消除了皮重的影响并转换成与粉重成线性关系的直流电流信号I_W，将I_W引至显示设备（21）可显示出（17）内的粉重，当粉重达到预定数值时可通过控制设备或手动操作关闭钟伐（15）以停止进料，然后通过充压伐（16）对（17）充压，（17）内的压力由取压装置（26），压力变送器（27）检测，并在压力显示设备（28）上显示出来，在压力达到预定值后，可开始喷粉作业。

通过控制设备，可自动或手动开启下粉伐（24），粉料将经由（24）进入输送管道（30），由输送气体运载，送至用户。开始了喷粉作业。

随着粉料的送出，（17）内的粉重将逐渐减少，与之对应的IW自然也逐渐减小，IW同时也被引至速率运算单元（20），在此对其进行微分运算，并取负值，从而获得粉重减少的速率，也就是喷粉速率相对应的输出信号IS，IS引至显示设备（21）显示并记录喷粉速率。IS还同时引至控制设备（22），在此IS与喷粉速率的设定值相比较，经运算发出适当的控制信号，通过执行器（23）以控制下粉伐（24）的开度，以调节下粉（喷粉）速率，使其保持在设定数值，完成喷粉速率控制，可由计算机或人工进行喷粉速率的设定，以使喷粉速率保持为恒值（均匀喷吹）或按要求的规律变化。

随着喷粉的进行，（17）的压力将发生变化，由控制设备（22）经执行器（25），可调节充压伐（16）的开度，以保持（17）内的压力为恒值或按要求的规律变化，同时，通过调节（17）内的压力，与控制下粉伐（24）的开度相配合或单独的也可调节下粉速率，达到控制喷粉速率的目的。

喷粉罐（17）与外部管路、设备的连接，均采用软连接方式，故外部设备或管路对荷重传感器（18）的称重信号无显著影响，同时，如前所述，在每次喷吹完毕后，称出当时的重量，作为空罐的重量（实际上是罐体连同固定在罐体上附件的重量，加上残留的粉重及连接部分的影响之综合结果）、即为皮重，可通过手动或计算机自动去除之。

当（17）内的粉料减少到予定值时〔这可由（21）上显示出来〕，通过手动或由联锁装置（程控装置）自动停止喷吹，这时关闭（24）和（16），再依次进行下一次的装料和喷吹，如果装设两套料仓和喷粉罐，交叉工作，即可进行连续喷吹。

本发明，也可用于升温或降温速率检测和控制，其过程如下：

图5是采用该速率检测装置的升（降）温检测控制系统。

热电偶（32）检测出工艺设备（如加热炉等）（31）的温度，并产生一个与之成对应关系的热电势信号Tmv，此信号经温度变送器（33）转换成与温度成线性关系的直流电流信号It，It可送显示设备（35）以显示、记录工艺设备（31）内的温度值，同时，将It引入速率运算单元（34），以运算温度变化的速率，获得与之成对应关系的输出信号Is，Is送至（35）可进行温度变化速率的显示记录，同时将Is引至控制设备（36），在此与予期的速率设定值相比较，经运算发出控制信号，通过执行器（37）和执行机构（38）以调节（31）的燃料（热源）供给，从而实现控制（31）的温度变化速率，以使之保持恒值或按予定程序改变，It引至控制设备（36），以便实现温度变化速率，按当时的温度值根据予定的程序改变。

视被测温度的范围及环境不同，可采用不同的测温元件，如热电阻，红外高温计，辐射高温计等，相应的要采用不同的温度变送器配合工作，而系统中其余部分，则与图5所示相同，同样可实现温度变化速率的检测与控制。

采用不同的敏感元件，变送器，本发明同样可实现对压力，液位，料位等其他参数的变化速率进行检测和控制。

本发明用于高炉喷煤系统，可及时掌握喷煤强度（喷粉速度），保证煤粉按予定速率均匀喷吹，对稳定炉况，降低焦比，减少煤粉消耗具有十分重要的意义，在必要时，还可精确地改变喷煤速率，以调正炉况，用于炼钢炉或钢包喷粉系统，可保证均匀喷吹，对缩短冶炼时间，保证产品质量，减少粉料的消耗同样具有重要意义，用于温度、压力等变化速率的检测和控制，解决了变化速率不易直接检测与控制的难题，同样可取得与上述类似的效果。

页行补正前补正后

2 3 不能真实地反映真实的…… 不能反映真实的……

2 8 对指导供粉（喷粉）…… 对指导供料（喷粉）

9 7 …相对应的毫伐信号…… …相对应的毫伏信号…

10 3 从而获得粉重减少的速率，从而获得与粉重减少的速率，

Claims

1、一种速率检测装置，其特征在于该装置由敏感元件，变送器和速率运算单元组成，其工作过程为，敏感元件感受各种过程参数，与变送器一起将被测参数转换成与之成线性关系的电信号，该电信号经速率运算单元进行运算，求得被测参数的变化速率，并输出一个与此速率成对应关系的电信号。

2、如权利要求1所述的速率检测装置，其特征在于所说的速率运算单元由输入回路，滤波器，比例放大及驱动回路，隔离耦合器，微分运算回路和功率放大器组成，该速率运算单元运算过程为，输入回路将输入信号转换成直流电压信号，该信号经过滤波器滤波处理，再进行比例放大，并经驱动回路驱动，再经过隔离耦合器耦合送至微分运算回路，进行微分运算，然后经功率放大后送出输出信号。

3、如权利要求2所述的速率检测装置，其特征在于所说的速率运算单元的电路如下：输入的直流电流信号流经取样电阻R₀，以R₀上的电压降作为输入信号，由IC₁组成的有源滤波器对该输入信号进行滤波，IC₂进行比例放大，经复合管T₁，T₂驱动，再由具有铁淦氧罐形铁芯的变流器变流，D₄、D₅、D₆和D₇组成的桥式整流器整流以及两级形滤波器滤波，进行直流-交流-直流变换。实现信号的隔离耦合，IC₃以及R₁₆，C₅组成微分电路，微分后的信号送至复合管T₃，T₄进行功率放大，放大后的输出电流流经R₂₅，R₂₆// W₃和R₂₇，由 W₃上取出反馈信号引至IC₃的反相输入端。

4、如权利要求3所述的速率检测装置，其特征在于在所述的微分电路中有一个由电阻R₁₅，R₁₈和电位器 W₁组成的漏电补偿电路，R₁₅与 W₁并联，该并联支路与R₁₄串联，由 W₁的动触点选取VR₁₅// W₁的一部分，通过R₁₈引至IC₃的反向输入端。

5、如权利要求1、2、3或4所述的速率检测装置，其特征在于所说的微分运算单元有一个由电阻R₂₈，R₂₉，R₃₀，R₃₁，R₃₂和R₃₃组成的分压电路。

6、如权利要求5所述的速率检测装置，其特征在于速率运算单元由24V稳压电源供电，经DC/AC/DC变换提供不同需要的稳压电源，并经DC/AC变换提供8KHZ左右的激励电源。

7、如权利要求5所述的速率检测装置，其特征在于电容C₅的绝缘电阻大于10，000MΩ·μF。

8、如权利要求7所述的速率检测装置，其特征在于电阻R₁₅为热敏电阻。

9、如权利要求5所述的速率检测装置，其特征在于电阻R₁₅为热敏电阻。

10、如权利要求8所述的速率检测装置，其特征在于所说的速率检测装置可以用于检测和控制喷粉速率。