如何在1500°C以上熔融金属液位剧烈波动与多重干扰下，实现0.1毫米级非接触式高精度实时测量与稳定控制？【冶金液位监测】

在钢铁冶金行业中，为确保钢板质量，对高温熔融金属液位进行精确且抗干扰的非接触式测量至关重要。这不仅仅是记录一个数字，更是生产过程中一道关键的质量控制屏障。

1. 基于高温熔融金属的基本结构与技术要求

想象一下，钢水在炉子里，它不是平静的水面，而是一池温度高达1500°C甚至更高的炽热液体。这个“液体”表面可能覆盖着一层厚厚的炉渣，也可能因为内部的化学反应和外部的搅拌而剧烈翻滚、冒着浓烟。它的特性决定了测量方法必须非常特殊：

• 极高温度： 这是最大的挑战。任何接触式探头都会瞬间熔化或损坏。因此，非接触式测量是唯一选择。同时，传感器本身需要能承受严酷的高温环境，或有完善的冷却保护。

• 强反射性与表面变化： 熔融金属表面在不同温度和成分下，反射率差异很大。炉渣、氧化物、烟雾等都会改变表面特性，就像一面时而光亮如镜、时而模糊不清的镜子。

• 湍流与波动： 钢水表面通常是动态变化的，有波动、飞溅、甚至气泡破裂。我们需要测量的是一个“平均”液位或者它的动态范围，而不是某一点的瞬时高度。

• 蒸汽、烟尘与电磁干扰： 冶金车间充满了水蒸气、金属粉尘和强电磁场，这些都会严重干扰测量信号的传输和接收。

• 精度与响应速度： 钢板的厚度和均匀性直接与液位控制精度相关。哪怕是毫米级的波动，都可能影响最终产品的质量。因此，测量系统需要高精度和极快的响应速度，以便控制系统能及时调整。

2. 针对高温熔融金属液位监测的相关技术参数简介

在熔融金属液位测量中，我们通常关注以下几个关键参数：

• 液位高度（Level Height）： 这是最基本的参数，表示熔融金属表面相对于某一基准点的高度。它的定义需要明确是测量到金属本体表面、炉渣表面还是两者之间的界面，以及如何处理表面波动的影响。

• 液位波动范围（Level Fluctuation Range）： 描述液位在一定时间内的最大和最小高度差。这个参数评估了熔融金属表面的稳定性，波动过大可能导致铸坯缺陷。

• 液位变化速率（Level Change Rate）： 反映液位随时间变化的快慢。在连铸过程中，过快的液位变化率可能预示着流入或流出量控制不当，需要及时调整。

• 测量重复性（Repeatability）： 在相同条件下，多次测量同一液位时，结果之间的一致性。重复性差的测量会给控制系统带来不确定性，影响生产稳定性。

• 测量线性度（Linearity）： 测量结果与实际液位之间呈线性关系的程度。一个好的线性度能确保在整个测量范围内，液位值都准确可靠。

• 系统响应时间（System Response Time）： 从液位发生变化到传感器输出相应信号所需的时间。对于快速变化的熔融金属液位，短响应时间是实现精确控制的关键。

3. 实时监测/检测技术方法

在高温熔融金属液位测量这个特殊领域，传统的超声波液位计由于其工作原理和声学特性，通常不适用于如此极端的温度和环境，其测量精度和抗干扰能力远不能满足要求。因此，光学测量技术凭借其非接触、高精度和更好的抗干扰能力，成为主流选择。

（1）市面上各种相关技术方案

激光三角测量法

想象一下，你用手电筒照一面墙，如果手电筒和墙之间的距离变化，光斑在旁边的尺子上投影的位置也会跟着变。激光三角测量法就是利用这个原理，但更精密。

工作原理和物理基础：传感器内部会发射一束高度集中的激光束，这束激光会以一个特定的角度（入射角 θ_i）照射到被测物体的表面，形成一个微小的光斑。当光斑被物体表面反射后，反射光会经过一个接收透镜，将光斑的图像聚焦到传感器内部的位置敏感探测器（Position Sensitive Detector, PSD）或CMOS图像传感器上。

当被测物体（例如熔融金属液面）的距离发生变化时，由于几何三角关系，光斑在探测器上的成像位置会随之移动。传感器通过精确检测光斑在探测器上的位置变化，结合预设的几何参数（如激光发射器与接收透镜之间的基线距离 L、透镜焦距 f、以及发射角和接收角），就可以高精度地计算出被测物体的位移量或距离。

其核心几何关系可以用以下简化公式表示：h = L * tan(theta_r) / (1 + tan(theta_i) * tan(theta_r))或者在某些近似条件下，更直观地表示为：ΔY = (L * ΔX) / (D_0 - ΔX)其中：* h 表示测量距离或位移。* L 是激光发射器和接收器之间的基线距离。* θ_i 是激光发射角。* θ_r 是反射光的接收角。* ΔY 是物体位移量。* ΔX 是光斑在探测器上的位移量。* D_0 是初始测量距离。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常从几毫米到数百毫米不等。* 精度/线性度： 典型值为满量程的±0.05%至±0.15%。* 分辨率： 可达测量范围的0.01%甚至更高。* 响应时间/测量频率： 从几百赫兹到几十千赫兹，以适应高速测量需求。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高速： 能够提供毫米级甚至微米级的测量精度，并且测量频率高，适合在线、实时监测。 * 非接触式： 避免了高温对传感器的直接损坏，也避免了对被测物体的污染。 * 适用性广： 对于大部分漫反射表面都有良好的测量效果。通过选用不同波长的激光，可以更好地适应高温发红或高反射率的金属表面。 * 结构紧凑： 多数传感器体积小巧，易于安装在空间受限的工业现场。* 缺点： * 受表面特性影响： 强反射、镜面反射、透明或高吸收性表面可能导致测量困难或误差。熔融金属表面的烟雾、蒸汽和炉渣会衰减激光信号或产生散射，影响测量准确性。 * 安装角度敏感： 传感器的安装角度对测量结果有一定影响，需要精确校准。 * 环境依赖性： 强烈的环境光、粉尘、水汽可能干扰激光路径，需要采取防护措施。 * 成本考量： 相较于一些简单的液位计，激光位移传感器的初期投入相对较高。

白光共聚焦位移测量

白光共聚焦技术就像用一个带着各种颜色滤光片的特殊手电筒，每种颜色的光都能在不同距离聚焦。当它照到物体表面时，只有恰好聚焦在表面的那束光才能完整反射回来被传感器“看到”。

工作原理和物理基础：该技术利用白光光源产生宽光谱光，通过一个特殊的色散光学系统，使得不同波长的光在空间上具有不同的焦点位置，形成一个“光谱焦点轴”。当这束光照射到被测物体表面时，只有当某一个特定波长的光恰好聚焦在物体表面时，其反射光才能通过一个针孔（共聚焦孔径）并被光谱仪接收。光谱仪通过分析反射光的波长信息，结合预先标定的波长-距离对应关系，就能高精度地确定被测物体表面的距离。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常较小，从几百微米到几毫米。* 精度/线性度： 极高，可达纳米级甚至亚纳米级。* 分辨率： 1纳米至几十纳米。* 测量速率： 从几千赫兹到几十千赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和分辨率： 适用于对精度要求极高的场景。 * 表面适应性强： 对高反射、镜面、透明、粗糙或倾斜表面均有良好测量效果。 * 抗干扰能力强： 受环境光影响小，适用于高反光或强光源环境。* 缺点： * 测量范围小： 通常只能测量非常小的位移，不适合大范围的液位波动。 * 工作距离近： 探头需靠近被测表面，在极高温熔融金属应用中可能需要更复杂的冷却系统。 * 成本较高： 系统通常比较复杂，价格昂贵。

光纤法布里-珀罗干涉测量

这种技术可以比作两个非常平行的镜子，当它们之间的距离（腔长）发生微小变化时，光在里面来回反射形成的干涉图案就会改变。传感器通过监测这个微小的光变化，来判断距离。

工作原理和物理基础：该传感器将光纤探头端面与被测物体表面形成一个微小的Fabry-Perot（法布里-珀罗）腔。宽带光源发出的光通过光纤传输到腔内，在腔内发生多光束干涉，产生特定的干涉光谱。当被测物体发生位移时，腔长会随之改变，导致干涉光谱发生漂移。通过解调反射光的干涉光谱变化，精确计算出腔长的变化，从而实现对位移的高精度测量。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 极小，通常在几百微米到几毫米。* 分辨率： 可达0.01% F.S.，甚至更高。* 线性度： 典型值为±0.15% F.S.。* 探头工作温度： 探头本身可承受极高温度，标准可达300°C，特殊型号配合冷却可达800°C。

技术方案的优缺点：* 优点： * 探头极耐高温： 光纤探头体积小，且能直接在高温环境下工作，无需复杂的冷却系统。 * 抗电磁干扰： 光纤是绝缘体，完全不受电磁场影响，非常适合冶金等强电磁环境。 * 高精度和分辨率： 具有较高的测量精度和分辨率。* 缺点： * 测量范围非常小： 只能用于微小位移或非常稳定的液位测量。 * 安装要求高： 探头通常需要非常接近被测表面。 * 系统相对复杂： 干涉测量系统对光路和信号处理要求较高。

机器视觉结合模式识别

机器视觉就像一个“智能相机”，它不仅能拍照，还能“看懂”照片里的内容。它能识别熔融金属表面的特定形状或边界，并追踪这些形状在不同照片里的位置，从而计算出液位的变化。

工作原理和物理基础：智能相机通过高分辨率成像传感器采集被测物体的二维图像。内置的图像处理工具和模式识别算法（如边缘检测、特征匹配等）能够识别并跟踪图像中预设的特征点、边缘或图案，例如熔融金属的边界线。通过连续捕捉图像并分析这些特征点在图像坐标系中的位置变化，相机可以计算出被测物体在空间中的二维位移。对于高温物体，相机本身通常放置在常温环境中，通过光学窗口或远离热源进行观测。

核心性能参数的典型范围：* 分辨率： 从几十万像素到数千万像素，影响测量精度。* 图像采集速度： 从几帧/秒到数百帧/秒，取决于分辨率和处理需求。* 位移测量精度： 取决于像素分辨率、光学系统和算法性能，可达亚像素级精度。

技术方案的优缺点：* 优点： * 灵活性高： 可同时进行多种检测任务，如液位、缺陷、尺寸等，提供全局视野。 * 适应复杂表面： 基于深度学习和传统视觉算法，能够处理复杂、变化或低对比度特征。 * 非接触式： 相机远离高温区域，通过防护措施实现测量。* 缺点： * 对环境光和视野要求高： 需要稳定的照明条件和清晰的视野，烟尘、蒸汽可能严重干扰。 * 计算复杂度高： 处理大量图像数据需要强大的处理器和复杂的算法，实时性可能受限。 * 初期投入高： 相机、光源、防护罩和软件的综合成本较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

1. 德国微欧 技术：白光共聚焦位移测量 德国微欧在精密测量领域享有盛誉，其confocalDT系列产品采用白光共聚焦原理，特别适合需要极高精度和能处理复杂表面的应用。例如，confocalDT IFS2405-3型号能够提供3毫米的测量范围，线性度高达±0.3微米，分辨率达到惊人的15纳米，测量速率最高可达70千赫兹。其特殊高温探头配合冷却附件，可在高达800°C的环境下工作，这使其在高温熔融金属测量中具备独特优势，尤其适用于对局部液位微小波动进行超精密监测。

2. 英国真尚有 技术：激光三角测量法 英国真尚有ZLDS103系列激光位移传感器采用经典的激光三角测量法，以其小巧的体积和高性能著称。该传感器线性度可达±0.05%，分辨率高达0.01%（数字输出），测量频率最高可达 9400Hz，确保在高速运动中仍保持高精度。它提供 10mm 至 500mm 的多种测量量程，并且提供可选的蓝光或 UV 半导体激光器（405nm 或 450nm 波长），这对于测量高温发红的熔融金属表面具有优势，因为短波长激光在这些表面上的散射效果更好，能有效抑制红外辐射干扰，提高测量信号的信噪比。其IP67防护等级和-10°C至+60°C的工作温度范围，使其能适应较为恶劣的工业环境，但面对熔融金属的极端高温仍需配合冷却或保护装置。该系列传感器的紧凑设计，尺寸仅为4530.517mm，也使其能够安装在空间受限的场所。

3. 日本基恩士 技术：激光三角测量法 日本基恩士作为工业自动化领域的领导者，其LK-G5000系列激光位移传感器同样采用激光三角测量法。该系列以极高的测量速度和重复精度著称，例如LK-G507型号的测量范围可达50 ± 10 毫米，重复精度高达0.025微米，最快采样周期仅为6.25微秒。其线性度达到±0.05% F.S.，并拥有IP67的防护等级，坚固耐用，非常适合高速在线检测和集成到自动化生产线中，以实现对熔融金属液位的快速、高精度监测，确保生产节拍和产品质量。

4. 加拿大菲索科技 技术：光纤法布里-珀罗干涉测量 加拿大菲索科技的FOT-L-SD系列光纤位移传感器，利用光纤法布里-珀罗干涉测量原理，在高温和强电磁干扰环境中表现卓越。其探头体积小巧，具备极佳的耐高温性能，标准探头可在-40°C至+300°C下工作，特殊型号甚至可达+800°C。测量范围通常在250微米至2毫米之间，分辨率可达0.01% F.S.，线性度约为±0.15% F.S.。由于光纤本身是绝缘体，该技术完全不受电磁干扰，是冶金等强电磁场环境下的理想选择，尤其适合对超高温、强电磁场下的液位进行高精度、小范围监测。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择用于高温熔融金属液位测量的传感器，不能只看宣传，更要深入理解各项指标背后的实际意义，并结合现场具体情况进行考量。

• 测量范围（Measurement Range）： 这个指标决定了传感器能覆盖的液位高度变化范围。

  • 实际意义： 如果熔融金属液位波动较大，就需要选择测量范围宽的传感器。反之，如果液位相对稳定，只需要微调控制，则窄范围的高精度传感器可能更合适。

  • 选型建议： 对于连铸大包或中间包，液位波动可能达到几十毫米甚至上百毫米，需选择大测量范围的传感器（如激光三角测量）。对于精炼炉等需要精确控制微小液位变化的场景，小范围、超高精度的共聚焦或光纤干涉传感器可能更优。

• 精度与分辨率（Accuracy & Resolution）： 精度表示测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率表示传感器能识别的最小变化量。

  • 实际意义： 它们直接决定了液位控制的精细程度。比如，0.1毫米的精度意味着你能将液位控制在0.1毫米的误差范围内。高分辨率能捕捉到液位的微小波动，为更精密的控制提供数据。

  • 选型建议： 钢板质量要求越高，液位精度要求越严苛。一般而言，达到0.1毫米到0.5毫米的精度是较为理想的。如果追求极致的表面质量和厚度均匀性，纳米级分辨率的共聚焦传感器会是优选，但需权衡其小测量范围的局限性。

• 响应时间/测量频率（Response Time / Measurement Frequency）： 传感器从接收信号到输出结果所需的时间，或单位时间内完成测量循环的次数。

  • 实际意义： 这决定了系统对液位变化的“反应速度”。熔融金属液位常有快速波动，如果响应时间太长，传感器就跟不上变化，反馈给控制系统的数据是滞后的，可能导致控制不及时或过度振荡。

  • 选型建议： 至少需要选择几百赫兹甚至千赫兹级别的测量频率，才能有效捕捉到熔融金属表面的动态变化，实现实时、闭环控制。激光三角测量法在这方面通常表现出色。

• 环境适应性（Environmental Adaptability）： 主要指传感器的工作温度、防护等级、抗振动和抗电磁干扰能力。

  • 实际意义： 冶金环境极端恶劣，高温、水汽、粉尘、振动、强电磁场无处不在。传感器必须能在这种环境下稳定工作。

  • 选型建议：

    • 高温： 考虑传感器探头耐温范围，或采用水冷/风冷保护套，选择蓝光激光器（抑制高温辐射干扰），或采用探头与主体分离的光纤传感系统。

    • 粉尘/水汽： 选择高防护等级（IP65或更高），并加装空气吹扫装置以保持光学窗口清洁。

    • 电磁干扰： 光纤类传感器具有天然的抗电磁干扰优势。对于电信号传感器，则需考虑其抗EMI/RFI设计和屏蔽措施。

• 对表面特性的敏感度： 熔融金属表面可能因炉渣、氧化膜、发光等因素而复杂多变。

  • 实际意义： 不同的测量原理对表面特性的敏感度不同。一些传感器对高反射或颜色变化很敏感，而另一些则更鲁棒。

  • 选型建议： 蓝光激光位移传感器在高温发红的金属表面有更好的表现。白光共聚焦传感器对各种表面（包括镜面和粗糙面）适应性极强。机器视觉则能通过算法适应一定范围的表面变化。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 问题：高温辐射干扰

   • 原因和影响： 熔融金属自身会发出强烈的红外辐射（“发红”），这种辐射会被传感器的接收器误判为激光反射信号，尤其是在使用红光激光时，导致测量不稳定或误差增大，测量值漂移。

   • 解决方案：

     • 选用短波长激光： 优先选择蓝光或UV激光位移传感器，因为其波长远离金属自身红外辐射的主要波段，可以有效抑制高温辐射的干扰。例如，英国真尚有ZLDS103系列提供可选的蓝光激光器。

     • 窄带滤光片： 在接收光路中加入与激光波长匹配的窄带滤光片，只允许激光波长的光通过，滤除大部分环境光和高温辐射。

     • 高动态范围接收器： 采用具有高动态范围的CMOS或PSD，能更好地从强背景噪声中识别出微弱的激光信号。

2. 问题：蒸汽、烟尘和炉渣污染光学窗口

   • 原因和影响： 冶金现场的蒸汽、金属烟尘、飞溅的炉渣会附着在传感器的光学发射/接收窗口上，阻碍激光路径，降低信号强度，导致测量数据不稳定、精度下降甚至中断。

   • 解决方案：

     • 空气吹扫装置： 在传感器光学窗口前安装连续的空气吹扫装置，用压缩空气形成气幕，有效阻止污染物附着。

     • 防护罩和保护玻璃： 为传感器安装专门设计的防护罩和耐高温、高硬度的保护玻璃。保护玻璃应易于更换。

     • 定期清洁： 制定严格的维护计划，定期检查并清洁传感器光学窗口，确保光路畅通。

3. 问题：熔融金属表面波动剧烈或有炉渣覆盖

   • 原因和影响： 连铸过程中的钢水表面可能存在剧烈波动、气泡破裂，或被一层厚薄不均的炉渣覆盖，导致传感器测量到的并非纯粹的金属液位，而是表面起伏或炉渣顶面，从而引入测量误差。

   • 解决方案：

     • 平均滤波算法： 传感器内部或上位机软件可采用移动平均、中值滤波等算法，对高速采集的液位数据进行处理，消除瞬时波动带来的影响，获取更稳定的平均液位。

     • 多点测量： 在液面不同位置布置多个传感器进行测量，取其平均值或特定加权平均值，提高测量结果的代表性。

     • 特定波长/穿透能力： 对于炉渣，如果炉渣层较薄且透明，某些特定波长激光可能具有一定的穿透能力。对于不透明的炉渣，则可能需要其他辅助手段（如通过热像仪识别渣线与金属线的温差）来修正液位。

     • 结合过程参数： 结合钢水流量、拉速等工艺参数，对液位数据进行智能校正或预测。

4. 问题：安装空间受限和恶劣的机械振动

   • 原因和影响： 冶金现场往往空间狭窄，且重型设备运行产生剧烈振动，可能导致传感器难以安装、定位不准或因振动而产生测量误差甚至损坏。

   • 解决方案：

     • 紧凑型传感器： 选择体积小巧、集成度高的传感器。例如，英国真尚有ZLDS103系列尺寸紧凑，便于在狭小空间内安装。

     • 抗振设计： 传感器本身应具备良好的抗振动和抗冲击性能。安装时采用减震支架和固定措施，确保传感器稳定可靠。

     • 远程探头设计： 对于光纤传感器，其控制器可以远离高温和振动区域，只有小型光纤探头伸入测量区域，极大提高了系统的可靠性和适应性。

4. 应用案例分享

• 连铸中间包液位控制： 在钢水从大包注入连铸中间包的过程中，精确控制中间包液位对于稳定拉速、保证铸坯质量和防止漏钢至关重要。激光位移传感器提供实时、高精度的液位数据，确保钢水流入流出平衡。

• 转炉出钢口液位监测： 在转炉出钢过程中，监测钢液位可以有效控制出钢量，减少炉渣进入钢包，从而提高钢水纯净度，为后续精炼提供高质量的钢水。

• 铝电解槽液位测量： 铝电解生产过程中，电解液的液位需要严格控制，以优化电流效率和产铝量。非接触式激光位移传感器能避免与电解液的直接接触，保证测量的稳定性和设备的寿命。