基于实时算法的同位素结晶器钢水液位测量系统

　　0　引　言

　　连铸生产过程中,结晶器液位测量和液位高度控制是关系到铸坯质量和生产效率的关键环节[1].结晶器内钢水温度高,周围环境条件差.同位素检测过程非接触,受环境因素影响小,是测量结晶器钢水液位的主要方法之一[2].

　　采用同位素法测量液位是间接测量,核辐射探测器输出信号存在统计涨落,求得的液位值是对时间平均的测量结果,测量时间越长,测量的统计误差越小.但是测量时间增长使测量系统响应变慢,当被测液位快速变化时,动态误差增大,不能适应结晶器液位实时控制的需要[3].另一方面,核辐射探测器接收到的射线强度和被测液位之间是对数关系.这些因素使同位素液位测量装置的性能受到局限.为满足现代连铸工艺对结晶器液位快速准确测量的需要,开发了一种新型同位素结晶器钢水液位测量系统,采用了特殊形状射线源,设计了新颖的信号测量与滤波数字算法,使结晶器液位测量装置的动静态性能都得到了改善.

　　1　系统组成与测量原理

　　同位素钢水液位测量系统组成如图1所示.系统由信号变换装置和信号处理单元组成,核放射源和核辐射探测器组成参数变换器,将被测液位转换成电脉冲信号,经信号处理单元测量处理,求出钢水液位高度.带保护屏蔽的核放射源和核辐射探测器分别安装于结晶器的两侧,采用水冷却.同位素法测量液位的原理是:核辐射射线穿过被测介质时,射线强度会衰减.图1中,放射源放射的γ射线穿过结晶器,被对面的探测器所接受,探测器接收的射线强度[4-5]

　　I=I0e-μρd, (1)

　　式中:I0是射线穿越结晶器前的强度;ρ和d分别是所穿越的介质的密度和厚度;质量吸收系数μ取决于吸收体的材料和放射线的能量,由于钢水的密度很大,变化很小,密度变化对射线强度的影响可以忽略,当放射源一定时,探测器接收的射线强度随结晶器内钢水液位的变化而改变.

　　2　信号变换装置设计

　　2.1　射线源设计

　　由式(1)可知,探测器接收的射线强度与钢水液位高度之间呈非线性关系,因此,放射源设计成使其活度呈非线性函数分布的特殊柱状放射源,使得在结晶器钢水不同液位时,探测器接收的射线强度都能与之成近似线性关系.放射源采用137Csγ射线源.将137Cs制成金属丝,以不同绕距(螺距角)绕在芯棒上,以产生要求的射线强度分布.图2所示是用测试用冷坯件放到结晶器内模拟钢水液位,使冷坯件以5 mm级差逐步通过测量范围时液位测量系统输出与被模拟钢水液位的关系曲线,图2中横坐标表示液位距结晶器上缘的距离,纵坐标为液位测量系统读数,可见液位测量系统输出与钢水液位满足近似线性关系的要求.