一种非接触式磁场阵列传感检测系统及探头距离设定方法与流程

本发明涉及矿热炉冶炼生产工艺过程中电极端部位置、电弧长度及熔池液面位置等关键参数测定装置，具体为一种非接触式磁场阵列传感检测系统及探头距离设定方法。

背景技术：

矿热炉是通过石墨电极向矿热炉内输入电能的一种工业电炉，在冶炼过程中，炉况波动是经常性的，不少矿热炉冶炼现场的操作者主要靠肉眼直接观察，或用简单的仪表以及个人经验来间接判断炉况，这就难以保证冶炼工艺参数最优化，也降低了生产效率，影响冶炼能耗和矿耗等关键技术和经济指标。在矿热炉冶炼过程中，电极端部位置、电弧长度及熔池液面位置，这三个冶炼参数是十分关键的，而对于这些关键参数的测定，虽然已有诸多的讨论和方法，但其中有的是间接计算和推测；有的则仅可粗略测得电极端部位置，而难以得知电弧长度和熔池液面位置。现有一种磁场单点3D检测系统可粗略测定矿热炉参数；磁场单点3D检测系统由3D探头、微控制器(MCU)、PC机组成，3D探头由传感器(Sensor)、信号放大器(OPA)、低通滤波电路(LPF)以及真有效值转换电路(TRMS)组成，如图5所示。图5中，由PC机发出控制命令，MCU根据指令采集和处理3D探头磁场信息，并回传至PC机。

任何一个实时性要求较高的系统，其信息传输延迟时间是不可避免也是不容忽略的，分析磁场单点3D检测系统的单次采样及处理时间T_SP可表述为下式，式中，T_Si(i＝1，2，3，4，5)分别为传感器采集、信号放大、低通滤波、真有效值转换以及微处理器所需的时间。在实际工程问题中，T_S1、T_S2、T_S3及T_S5均在毫秒数量级，而真有效值转换由于采用的是电路积分原理，对输出精度要求越高，占用的处理时间就越长，一般转换一次达到稳定状态所需的时间T_S4≈3～5s。若仅考虑真有效值转换时间T_S4，则T_SP≈T_S4≈3～5s。在磁场单点3D检测方式中，若要获取炉内的关键参数，需要采集若干点的信息，即每采样一个点后，需要将探头移动至下一个点进行采样，则磁场单点3D检测系统采样N个点所需的时间T_NS如下式所示，T_NS＝N×T_SP+(N-1)×T_MOV，式中，N：采样点数，T_MOV：磁场单点3D检测系统在相邻采样点之间的移动时间。在工程实际问题中T_MOV≥3s。综上所述，取T_SP(min)≈3s，T_MOV(min)≈3s，将此参数代入上式，可得磁场单点3D检测系统采样N个点所需时间的最小值T_NS(min)，T_NS(min)≈6N-3，由该式可知，采集时间T_NS随采样点数的增多而增加。若测量总长度为150cm，采样空间距离为10cm，可知采样点数N＝15，该检测方式采集周期至少为87s，而此期间，炉况可能已有较大变化，故此检测方式不能真实地反映炉况。另外，磁场单点3D检测方法还存在诸多测量误差，产生误差的因素主要包括以下几个方面：(1)由于机械设备抖动等原因，移动过程中很难保证基准线和基准面统一；(2)移动的机械设备难以长期保持采样点距离均匀；(3)机械式的移动会使测试机构的故障率增加；(4)考虑到测试精度以及后期的维护工作，对移动机械结构设计的复杂度要求较高；

综上所述，磁场单点3D检测系统存在着较大的局限性，难以满足实际工业现场测量的需求。

技术实现要素：

本发明提出一种非接触式磁场阵列传感检测系统及探头距离设定方法，与单点3D检测方法相比，阵列传感检测系统的实时性和精度均大幅提高，后期维护方便，有望对电极端部位置、电弧长度及液面位置等参数予以有效的判断，以满足工程测量的需求。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种非接触式磁场阵列传感检测系统，包括微控制器MCU和PC机，微控制器MCU和PC机连接，其特征在于还包括探头阵列，探头阵列包括竖向排列的若干3D探头，每个3D探头中都包括传感器、信号放大器、低通滤波电路、真有效值转换电路和子控制器，传感器、信号放大器、低通滤波电路、真有效值转换电路和子控制器依次连接，每个子控制器都和微控制器MCU连接。

如上述的一种非接触式磁场阵列传感检测系统的探头距离设定方法，包括以下步骤：

第一步：建立矿热炉内电路模型，流经炉内电极的电流为电极电流，电极电流经电弧区到达熔池内，在熔池液面处形成熔池电流回路，设定熔池电流回路中单一熔池电流直线通路中的熔池电流为I；

第二步：设定电极端部在任意平行于熔池液面的平面上投影连线的中垂线为中垂线，选定P₁测量原点，P₁测量原点位于中垂线上；

第三步：以P₁测量原点为原点O，在原点O所在的三维坐标z轴上取若干点作为检测点，离P₁测量原点最近的熔池电流直线通路在检测点上的磁感应强度分量如下式所示：式中，μ₀为真空的磁导率，单位为H/m，L为熔池电流直线通路的长度，h为检测点的高度，R为检测点到熔池电流直线通路起点或终点的距离，a为P₁测量原点到熔池电流直线通路的距离，r为检测点到熔池电流直线通路的距离；

第四步：设定检测系统中3D探头的分辨率为δ，当检测点处的磁感应强度变化量|△B|<δ时，3D探头已无法识别之，故取|△B|＝δ，中间参数间距△h的表达式如下式：

第五步：根据中间参数间距△h的表达式可知，在检测点中，磁感应强度变化率最大值|B′(h)|_max所在的点，对采样间距的要求最为苛刻，即要求△h的值最小，故检测点空间采样间距d应满足检测点处的磁感应强度分量随检测点高度h的变化率B′(h)如下式所示，由已知参数值可得到|B′(h)|_max，再利用3D探头的分辨率为δ便可得到△h_min，最后根据实际情况，设定值小于△h_min的空间采样间距d，空间采样间距d即为3D探头距离。

本发明提出一种非接触式磁场阵列传感检测系统，与单点3D检测相比，磁场阵列检测的实时性和精度均大幅提高，后期维护方便，有望对电极端部位置、电弧长度及液面位置等参数予以有效的判断，以满足工程测量的需求。

附图说明

图1为矿热炉磁场辐射模型图。

图2为矿热炉俯视图。

图3为电流I_AC的磁感应强度分布图。

图4为B的分布特性及△B与△h的关系图。

图5为磁场单点3D检测系统的示意图。

图6为本发明磁场阵列传感检测系统的示意图。

图7为磁场阵列传感检测系统现场测试示意图。

图中：1-电极，2-液面，3-磁力线，4-炉壁，5-电极线，6-中垂线，7-炉底，8-磁场阵列传感检测系统。

具体实施方式

一种非接触式磁场阵列传感检测系统，包括微控制器MCU和PC机，微控制器MCU和PC机连接，还包括探头阵列，探头阵列包括竖向排列的若干3D探头，每个3D探头中都包括传感器、信号放大器、低通滤波电路、真有效值转换电路和子控制器，传感器、信号放大器、低通滤波电路、真有效值转换电路和子控制器依次连接，每个子控制器都和微控制器MCU连接。

如上述的一种非接触式磁场阵列传感检测系统的探头距离设定方法，包括以下步骤：

第一步：建立矿热炉内电路模型，流经炉内电极A、B、C的电流分别为电极电流I_A、I_B、I_C，电极电流I_A、I_B、I_C经电弧区到达熔池内，在熔池液面处形成熔池电流三角形回路I_AC、I_CB、I_BA，如图1所示；

第二步：根据电磁场理论，建立矿热炉磁场辐射模型，设定电极端部在任意平行于熔池液面的平面上投影连线的中垂线为中垂线，该平面上的中心与投影的连线为电极线，选定P₁测量原点，P₁测量原点位于中垂线上，设定离P₁测量原点最近的熔池电流直线通路中电流为I_AC，

第三步：以P₁测量原点为原点O，在原点O所在的三维坐标z轴上取S₁、S₂、…、S_m、…、S_i若干点作为检测点，电流I_AC在检测点上的磁感应强度分量如下式所示：式中，μ₀为真空的磁导率，单位为H/m，L_AC为熔池电流直线通路的长度，h为检测点的高度，R为检测点到熔池电流直线通路起点或终点的距离，a为P₁测量原点到熔池电流直线通路的距离，r为检测点到熔池电流直线通路的距离，其中r²＝h²+a²，P₁测量原点位于中垂线上，故检测点到熔池电流直线通路起点或终点的距离相同，

第四步：依数字化成像检测技术理论，采样间距密度不足会引起伪像，而采样间距越密，虽其空间分辨率会越高，反映出的炉况越真实，但过多的冗余会造成资源浪费。设h_i、h_i+1分别表示检测点S_i、S_i+1的高度，B_i、B_(i+1)分别表示S_i、S_i+1处的磁感应强度，令△h＝h_(i+1)-h_i，磁感应强度变化量△B＝B_(i+1)-B_i，则B的分布特性及△B与△h的关系如图4所示。图4中检测点S_i处的切线为S_iT，根据微分学中非线性函数局部线性化的基本思想方法，在检测点S_i的邻近，可用切线段S_iP来近似代替曲线段S_iS_i+1，即用微分dB近似代替△B。因此，如果B在某一点处的导数B′(h)≠0，且△h相对于检测点P₁到电流I_AC通路的距离a很小时，则近似有|△B|≈dB＝|B′(h)|△h。设定检测系统中3D探头的分辨率为δ，当检测点处的磁感应强度变化量|△B|<δ时，3D探头已无法识别之，故取|△B|＝δ，中间参数间距△h的表达式如下式：

第五步：根据中间参数间距△h的表达式可知，在检测点中，磁感应强度变化率最大值|B′(h)|_max所在的点，对采样间距的要求最为苛刻，即要求△h的值最小，故检测点空间采样间距d应满足检测点处的磁感应强度分量随检测点高度h的变化率B′(h)如下式所示，由于检测点在炉外，故取μ₀＝4π×10^-7H/m，同时有I_AC≈40kA，结合现场的环境条件，取a≈8.5m，L_AC≈1.6m，将这些参数代入上式，可得磁感应强度的最大变化率如下式所示，本发明中设定3D探头的分辨率为δ＝12mGs(硬件开发一旦完成，则δ为常数)，则有根据上式，只要d≤11.5cm，即可检出所需信号，再考虑到硬件设计的条件限制，取空间采样间距d＝10cm。

在磁场阵列传感检测系统的检测方式下，不存在移动时间，且子控制器同时采集数据，其延迟时间T_NA相当于单点3D检测单次采集及处理时间T_SP，T_NA≈T_SP，由此可知，磁场阵列传感检测系统检测方式下的采集周期T_NA≈3～5s，且基本与采样点数N无关，其实时性远优于磁场单点检测方式。另外，阵列检测方式不存在机械机构的移动问题，且保证了采样距离的均匀性以及基准面和基准线的统一性，机械连接结构设计及后期维护简单，测试精度和采集效率均可大幅提高。

磁场阵列传感检测系统现场测试图如图7所示，将磁场阵列传感检测系统选在中垂线与电极线之间，且与电极线呈夹角θ≈20°；磁场阵列传感检测系统距炉壁约6m。图7中，3D探头S₁处下方10cm处为检测原点o，阵列涵盖电极末端，测量完成后进行系统输出电压与磁感应强度间关系的标定。