Page 57 - 无损检测2024年第九期

陈昱博，等：

基于电磁法的钢水液位检测

来越多的关注与应用 [7-8] 。 根据基尔霍夫电压定律
电磁式钢水液位检测技术被国外垄断，主要生 RI +jx I -jx I =U

m
1 1
1 1
1
产厂家有捷克VUHZ公司和乌克兰巴顿电焊研究  -jx I +U +RI 2 +jx I （1）
  m 1 2 22 22 =0
所 [9-10] 。文章基于电磁法检测钢水液位的原理，在电
式中：x 为激励线圈电抗；I 为激励线圈电流；x 为
磁场有限元仿真软件中采用控制变量法优化设计了 1 1 m
I
激励线圈和感应线圈之间的互感抗； 为感应线圈电
符合性能要求的电磁式检测传感器，研制了与传感器 2
流；U 为激励线圈电压；U 为感应线圈电压；x 为感
相配套的满足钢水液位检测精度要求的仪表，并推广 1 2 2
应线圈电抗。
至工业应用。试验结果表明，研制的电磁式钢水液位
感应线圈电流I 为零时，反馈线圈感应电压U 为
检测系统精度高、安全可靠，填补了国内空白。 2 2
ω 2 ω L M MR
U = 1 U +j 1 U （2）
1 电磁法检测原理 2 R 2 ω 2 2 1 R 2 ω L 2 L 2 1
1 + 1 1 + 1
钢水液位的电磁法检测原理示意如图1（a）所示， 式中： ω 为激励信号频率。
电磁式检测传感器安装在结晶器侧壁靠近钢水的位 即感应电压幅值为
置。电磁式传感器[等效电路图见图1（b）应用的是 ω M
]
1M
电磁感应原理 ，当激励线圈上通过交变电流时会产 U 2 = R 2 +ω 2 L 2 U （3）
[11]
生变化的磁通量，当钢水液位变化时会传感器等效感 1 1
可以看出，反馈线圈感应电压的幅值随传感器
抗发生变化，反馈线圈中的感应电压也随之变化 [12-14] 。
感抗变化，而钢水液位会影响传感器的等效电抗。
感应电压的大小与钢水的相对磁导率、钢水距激励线
圈和感应线圈的距离、激励信号频率等参数有关。 2 电磁式检测传感器
电磁式检测传感器由一个激励线圈、两个差分
感应线圈、前端信号处理及信号放大电路和水冷通
路组成。为了防止高温损害传感器，设计了具有水
冷系统的外壳。

在电磁场有限元仿真软件ANSYS MAXWELL
中建立钢水液位检测模型，如图2所示 [15] 。该模型
包括激励线圈、反馈线圈、铁芯和钢水4部分。激励
线圈和反馈线圈材料设置为漆包线；钢水材料设置
为铁；铁芯相对磁导率设为1. 038。

图 2 钢水液位检测有限元模型
设置激励线圈匝数为 400匝，感应线圈匝数为
图 1 电磁法检测钢水液位原理示意与传感器等效电路模型 800匝，将钢水的高度参数化，使用线性步长计数，

电磁式检测传感器激励线圈和感应线圈 初始值为20 mm，步长为1 mm，终止于60 mm。仿
的等效电路中，L 为激励线圈电感；L 为感应 真不同钢水液位时激励线圈、反馈线圈的自感和互
1 2
线圈电感；M为互感；R 和R 分别为激励线圈和检 感如表1所示。
1 2
测线圈的直流电阻。 当激励电流幅值为50 mA，频率为6 kHz时，得
当钢水液位上升时，由于钢水的磁导率比空气磁 到的感应电压幅值与钢水液位之间的关系曲线如
导率高，使线圈附近的磁导变大，则线圈电感量增大。 图3所示，感应电压的幅值在中间区域随钢水液位
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2024 年 第 46 卷 第 9 期
无损检测