基于STM32单片机的高炉炉身厚度监测系统

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摘 要 介绍了一种以STM32F103RB6单片机为核心的高炉炉身厚度测量系统的设计方法。讲述了基于“脉冲回波法”的炉身厚度测量思想，给出了系统硬件设计方案和软件流程图。实验证明：该系统测量稳定性好、精度高，可满足高炉炉身厚度的测量要求。

【关键词】stm32F103RB6 超声波测厚 高炉炉身厚度

1 引言

炉身是保证高炉冶炼的重要部分，炉身厚度包括炉壳、填料、冷却壁和炉衬。高炉生产过程中，因受到上升的煤气流和下降的炉料冲刷和磨损，在高温和化学反应等物理化学因素的作用下，炉身侵蚀严重，破坏了操作炉型，将影响高炉冶炼顺行，也影响高炉的使用寿命及生产安全。

国外的很多研究单位都做过高炉炉身厚度检测的方法研究，如日本、美国和荷兰一些国家曾采用热电偶法、电磁脉冲法、电阻法和电容法等方法检测炉壁厚度；本文将超声波测厚技术应用到高炉炉身测厚中，设计了一种采用“脉冲回波法”进行测量的高炉炉身测厚系统，可实现对炉身厚度的多点、连续在线监测。

2 炉身厚度测量思想

图1是炉身厚度测量示意图，将一特制测杆[3]埋藏炉身中，测杆随炉身的侵蚀而同步侵蚀；因此，只要测出测杆的长度即可得到炉身的厚度。测量过程如下：超声波探头通过耦合剂与测杆一端紧密接触；激发探头发射超声波脉冲，超声波脉冲沿测杆传播，当超声波脉冲传输到测杆前端面和炉膛内部分界面时，将发生反射和透射现象，部分声波沿原路返回。

假设测杆长度为L，超声波从发射到前端面的传输时间为t1，回波所走时间为t2，超声波传播速度为C，则存在如下关系：

（式1）

超声波在测杆中的传播速度C为5200m/s，可看成常量。因此，只要测出超声波传播时间t1、t2之和就可求的测杆长度L。

3 系统整体方案

超声波炉身测厚系统包括：STM32F103RB6微处理器、高压电源电路、信号发射电路、超声波探头组、接收处理电路、增益调整电路、阈值比较电路、显示、按键通讯电路等硬件，以及各部分对应的软件。整体结构如图2所示。

系统的测量过程如下：首先，高压电源电路将24V直流电压转换到500V以上的高压以激发超声波。此时，单片机控制接通某一通道的探头到发射电路，当脉冲发射控制逻辑触发可控硅导通时，发射电路发射一次超声波脉冲信号，同时启动计数器。然后，等探头收到回波信号后，信号处理电路对接收信号进行滤波和初级放大；稳定在±2V范围内。比较器检测到接收信号大于阈值时，处理器停止计数并计算时间，该时间即为t1+t2。=时间t1+t2、声速C代入（式1）计算出长度L，即为炉身厚度。

4 系统软件设计

主程序流程图如图3 所示。

首先对处理器内部资源和各外设进行初始化；接着输出一个持续约2.4μs的高电平可以触发可控硅导通，以发射一次超声波，同时启动计数器。当接收电路接收到回波后，停止计数并保存计数值，完成该通道的一次测量。按上述步骤对该通道进行多次测量，并进行软件滤波，得到准确的时间值t1+t2，最后将时间和声速代入公式计算出该点的厚度并送VFD显示，完成该通道的测量。以此方法对其他通道进行巡检，当所有通道都测量完成后，将测量数据上传给上位机。测量过程中可随时响应按键中断，以便实现系统参数的实时修改。

5 结束语

本测厚系统测量精度达2cm，具有多点测量，通过和保存测量结果等功能。可实现对炉墙厚度的在线连续测量。为高炉喷补造衬提供了参考数据，对监测炉身厚度侵蚀变化及冷却壁的侵蚀破坏情况，对保证控制高炉的操作炉型和延长高炉的使用寿命，具有重要的意义。

参考文献

[1]崔大福，江杰，刘先龙，肖俊生.高炉炉身厚度在线监测技术在高炉中的应用[J].中国冶金，2013.23（3）16-19.

[2]周传典.高炉炼铁生产技术手册[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[3]杨友松，崔大福.炉墙厚度测量系统的设计和改进.包头钢铁学院学报，2003 年9 月第22 卷第3 期.

作者简介

肖俊生（1981-），男，汉族，内蒙古丰镇市人，讲师，主要从事虚拟仪器、自动检测技术等的研究。

作者单位

内蒙古科技大学信息工程学院 内蒙古自治区包头市 014010