国电织金发电有限公司 贵州织金 552100
摘要：钢球磨机在电力、化工和冶金等行业厂矿的制粉系统中广泛应用，钢球磨机的料位是反应磨机运行工况的重要参数，本文采用左右逼近法找出输出模拟量信号与输入音频信号的折线的斜率；对于磨机料位在自动控制系统中料位测量实时值多变的问题。音频信号分析在料位测量中是可行的，是钢球磨机料位测量方式中的一种重要的选择。
关键词：音频信号，钢球磨机，料位，自动控制
钢球磨机是广泛用于工业领域中的一种用来磨碎固体物料的机器设备。如果球磨机的料位过高。随着声学测量技术的发展，出现了声学测量锅炉炉膛烟气温度、声学测量分析水电机组故障诊断。在磨机运行中会产生高分贝的噪音，但是当音频信号分析技术的出现对钢球磨机的料位测量则出现了新的选择。通过检测磨机内部的声音而直观反应磨机空载、超载、贴粘等异常状态，进行自动（手动）调节控制物料流量，达到磨机的增产、降耗、提高产品质量的目的。
在火力发电厂中应用的音频信号分析测量料位测量装置，主要由音频信号接收器和音频信号变换器组成。本文针对音频接收器，在分析基本的工作原理后，推导出音频信号变换器的传递函数。然后设计了在料位控制中引入磨机电流的变化率作为补偿参数，使料位的自动控制系统具有良好的动态特性，最后进行了试验。
1 音频信好接收
音频西信号的接收，主要依赖于声音传感器又称为声敏传感器，它是一类在气体或固体中传播的机械振动转换成电信号的敏感元件。按照声音传感器与被测对象的安装方式可以分为接触式和非接触式。从测量原理看，声音传感器的种类很多，有压电式、电致伸缩效应式、电磁感应式、静电效应式、磁致伸缩式、电阻式和电容式。
1.1音频信号传感器工作原理
根据钢球磨机的工作方式，钢球磨机运行时筒体处于旋转状态，所以声音传感器安装采用非接触式，从环境和实际需求看选用测量原理是电容式声音传感器。该类声音传感器是内置一个对声音敏感的电容式驻极体听筒，主要由两部分组成:声电转换部分和阻抗部分。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。在蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
1.2需要解决的问题
为了消除环境因素影响大的问题,根据音频信号传感器指向性，即音频信号传感器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性。同时不要面对螺栓、检查孔、盲板等障碍物，音频信号传感器最适合安装在磨机按圆周方向运转时粉碎物下落时的位置。测量频域范围宽，根据钢球磨机内物料变化与钢球及筒体内壁和钢球磨机正常运行转速之间产生的有效频率范围500Hz ~5KHz。
2 音频信号处理
2.1 音频信号处理方式
音频信号传感器输出信号为低电势信号，该信号范围在：0 ~ 500 mV p－p。显然这样的信号不能直接提供给第三方控制系统，音频信号变送器是一种将检测磨机研磨音频的强度的音频传感器的低电势信号转换成标准的模拟信号的装置。即将输入信号为0~500mV成反比例的关系变换成4~20mA的模拟量输出信号。和输出信号相互间成反比例关系。即：输入信号增加则输出信号减小。
2.2音频信号变送器工作原理
音频信号变送器与音频传感器及第三方控制系统的结构框图，见图5。可以看出，构成变送器的组成部分主要包括：调理电路和两线制V/I变换电路。对音频传感器的采集信号进行处理后远距离传输给第三方控制系统，达到对钢球磨机料位实时检测的目的。
音频信号变送器采用两线制与第三方控制系统连接，由第三方控制系统给变送器提供24V直流电压源。信号电流变化范围在4~20mA之间。
调理电路对从传感器的输入信号峰峰值Ei进行放大后转换成直流电压U1。Ei的变化范围0 ~ 500 mV，输出的变化范围0 ~ 5V，可得：U1=1000Ei 。流过R7的电流I1,W1的变化范围在0~0.4R7。当W1=0时，则U1=I1R7，当W1=0.4R7时，则U1=I1（R7+0.4R7）=1.4I1R7 。可得：U1=I1XR7 (1≤X≤1.4)。即实现±20%的调幅。U1到U2主要实现电压反向实现反比例的关系，当U1输入电压为0V时输出电压U2为2V,当U1输入电压为5V时输出电压U2为0.4V,带入Ei后调理电路的输入与输出关系可得：U2=2-0.32U1=2-320Ei。在U1到U2转换电路中有一微调电阻W2,改变U11电压调整敏感度。在钢球磨机正常运行时，顺时针方向旋转调整灵敏度电位器，减少输出至50%。
两线制V/I变换电路的作用是用第三方控制系统提供的24V直流电压将输入信号U2（0.4 ~ 2V）的电压信号转换成4~20mA的直流信号实现远距离传输。根据欧姆定律，并将用表达式可得：IO=U2/100=(2-0.32U1)/100=(2-320Ei)/100。
传感器的输出信号Ei与音频信号频率f的对应关系为，当f=500Hz时Ei=0mV，当f=5kHz时Ei=500mV,可得：Ei=f5/4500-5/9。则变送器的输出电流与音频信号的关系可得：IO=(2-320Ei)/100=0.02-3.2(f5/4500-5/9)。
3 音频信号分析料位调试
钢球磨机正常启动，给料机将在某一时间点停止进行给料，直至钢球直接撞击机器内表面，然后逐渐增加进料速率接近形成阻塞状态。在此过程中，超过50%的声音信号变幅将是必要的，因此，如果声音信号变幅不足，应通过灵敏度调整增强敏感性。
灵敏度调整按照下左右逼近法进行：当音频信号转换器的输入信号为150mV p-p，输出信号水平为50%。通过敏感性调整将输出信号从50%调至30%，这将使变幅0-100%，变量300mV p-p的输入信号转变为变幅0-100%，变量214.5mV p-p的输入信号。由此使音频信号相应获得较大的变化范围以反映机器内的原料滞留量的变化。最终通过实验确认音频信号的灵敏度能够准确反映发生在磨机内的状态变化。
4 料位测量在自动控制中的应用
以某厂双进双出钢球磨机的料位自动控制为例，来分析料位测量的应用。由于钢球磨机料位测量的复杂性、多变性，所以采用了差压侧厚装置和音频信号测量装置来测量钢球磨机的磨机NDE端和DE端料位。料位制动控制采用单闭环控制回路，控制回路的输出指令调节两个给料机的转速，反馈部分通过对磨机差压侧厚装置测得的磨机DE与NDE端料位取大值，然后对取大值的料位进行一个滞后滤波处理后作为反馈信号。
5 结论
本文讨论音频信号传感器和音频信号变送器，电路结构相对简单，实现较大范围的音频信号采集与远距离的信号传输。针对音频信号变送器的灵敏度调整、信号变幅调整、钢球磨机停运时信号的选择和在料位自动控制中的应用等问题给出了相应的解决方案。通过应用实例验证音频信号分析在料位测量中是可行的，是钢球磨机料位测量方式中的一种重要的选择。
参考文献：
[1]刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].合肥：国防科技大学出版社，2002.
[2]刘睿.磨煤机料位自动跟踪不良的分析及处理[J].电力安全技术,2017,19(12):57-58.
[3]伏军军,贺军,王礼信.双进双出磨煤机料位测量与控制优化[J].重庆电力高等专科学校学报,2015,20(01):54-55+58.
作者简介：
陈发（1980），男，本科，工程师。主要从事火力发电厂热控设备运维相关工作。