基于FPGA的電磁式鋼水液位檢測系統設計

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢430081）

連鑄生產中，結晶器作為連鑄機上的一個關鍵設備，其鋼水液位的控制精度直接影響著鋼坯的質量和產量[1]。高性能結晶器鋼水液位檢測與控制技術的研究已成為連鑄生產領域中一個重要研究方向[2]。結晶器鋼水液位檢測的方法有放射法、浮子法、熱電偶法、電磁法、激光法、紅外法、電視法和渦流法等[3]。長期以來，高精度的液位檢測設備一直被捷克VUHZ公司的設備所壟斷。本系統采用差分電磁式傳感器在充分消化吸收進口設備的基礎上，利用非接觸式的方法檢測鋼水液位的高度，具有檢測鋼水液位范圍寬、精度高、可靠性高等特點，能夠有效地抑制鋼水液位局部波動對整體鋼水液位高度的影響，達到了進口設備的檢測水平。從2015年3月至今，已經在武漢鋼鐵工程技術集團下屬的煉鋼廠投入使用，現場反應運行良好。

1 系統組成

差分電磁式結晶器液位檢測系統主要由FPGA控制電路、激勵信號產生電路、接收信號處理電路、傳感器冷卻水溫度檢測電路和顯示電路組成。系統總體框圖如圖1所示。FPGA產生800 Hz的方波信號，通過對方波信號進行濾波處理后，得到失真度小的正弦波信號，并且可通過FPGA控制D/A轉換來調整正弦波信號的幅值，此正弦波信號經過功率放大電路成為差分電磁式傳感器的激勵信號源。

傳感器接收部分主要由2個接收線圈組成。一個接收線圈的感應電壓為鋼水液位的高度信號，另一個接收線圈的感應電壓為激勵信號的幅值檢測。鋼水液位的高度檢測線圈和激勵信號幅值檢測線圈信號通過儀表放大、鎖相濾波、D/A轉化，最終在FPGA中進行運算處理，得到液位的高度信號和激勵信號的幅值大小，最終轉化為標準的4～20 mA電流信號輸出。由于差分電磁傳感器距離鋼水液面較近，需要不斷的流動冷卻水對差分傳感器進行降溫處理，熱電偶檢測傳感器內冷卻水的溫度，防止傳感器高溫損壞。同時，在液晶屏上顯示各種狀態指示信號。

圖1 系統框圖Fig.1 System diagram

2 差分電磁檢測原理

差分電磁式結晶器鋼水液位檢測系統利用電磁感應原理檢測結晶器內鋼水液位高度。鋼水液位的高度信號檢測是由2組傳感器組成差分電路進行檢測，差分電磁傳感器的連接圖如圖2所示。

圖2 差分傳感器接線Fig.2 Differential sensor wiring diagram

每組傳感器由3個線圈組成，1個激勵線圈，2個感應線圈，感應線圈分別為液位的高度測量線圈和激勵信號幅值檢測線圈。L1、L4和L6線圈組成一組傳感器，L2、L3和L5線圈組成另一組傳感器，2組傳感器安裝位置結構如圖3所示，安裝在結晶器銅板頂部的電磁盒中。系統通過發送線圈產生高頻電磁場，在銅板表面和鋼水接近的表面處感應出渦流[5-6]。Uin為傳感器的激勵信號，L5、L6接收線圈根據鋼水液位高度感應出不同的電動勢，接收線圈L3與L4根據激勵信號的幅值感應出不同的電動勢。線圈L3和L4的安裝位置與渦流產生的磁場平行，渦流產生的磁感應線不會穿過線圈L3和L4，因而線圈L3和L4的感應電壓的大小與液位的高度無關，線圈L3和L4的感應電壓信號只用于檢測激勵信號的大小。接收線圈L3和L4中的感生電壓大小相等，相位差180°，組成差分電壓Uout2輸出。渦流產生的電磁場與接收線圈L5和L6垂直，當鋼水液位的高度變化時，接收線圈L5和L6的感生電動勢也發生變化。接收線圈L5和L6中的感生電壓大小相等，相位差180°，組成差分電壓Uout1輸出。Uout1與Uout2相位差 180°。

差分傳感器的靈敏度在鋼水的水平分布如圖3所示。2組傳感器組成的差分傳感器能檢測鋼水的水平范圍最大值可達600 mm，差分傳感器在結晶器的600 mm的范圍內檢測鋼水的平均液位，檢測范圍寬，從而使差分傳感器對鋼水液位的局部波動不敏感。減小了傳感器對局部波動的靈敏度，提高了檢測精度。采用2組傳感器組成鋼水檢測電路不僅提高了鋼水液面的水平檢測寬度，同時也有利于消除垂直方向的局部波動對整體鋼水高度測量的影響。

圖3 傳感器安裝與靈敏度分布Fig.3 Sensor mounting and sensitivity distribution

3 硬件設計

3.1 正弦波激勵信號產生電路

電磁傳感器的激勵線圈的功率信號為幅值與頻率可控的正弦波信號。產生正弦波信號的電路如圖4所示。square為方波輸入信號，頻率80 Hz，當地址信號線輸入為00100時，D/A的片選信號為低電平，片選信號導通。FPGA通過控制輸入data0～7調節D/A輸出正弦波的幅值大小。FPGA通過控制square的頻率控制正弦波的頻率。D/A輸出的正弦波信號通過功率放大電路后得到傳感器的激勵信號。

圖4 正弦波信號產生電路Fig.4 Sine signal generating circuit

3.2 檢測信號儀表放大電路

差分電磁式傳感器接收線圈的接收信號為微弱的電壓信號，在設備安裝過程中，為了避免鋼水的溫度對檢測電路的影響，接收信號處理單元距離傳感器比較遠，液位檢測信號容易受到外部空間的干擾。為了提高信號的抗干擾能力，采用帶屏蔽線的電纜進行信號傳輸。同時使用高共模抑制比、低漂移的儀表放大器進行信號放大處理。信號儀表放大電路如圖5所示。

圖5 儀表放大電路Fig.5 Instrument amplifier circuit

儀表放大器采用AD524，AD524是單片精密儀表放大器，非線性失真小、帶寬高、共模抑制比高、低漂移和低噪聲，非常適合在惡劣條件下對采集的微弱信號進行放大。液位檢測信號通過二階無源帶通濾波電路連接AD524的2個輸入端。輸入端電路組成差分對稱電路，抑制了差模信號轉化為共模信號，提高共模抗干擾能力。可編程的AD524設置放大倍數為100倍。

3.3 檢測信號鎖相濾波電路

系統采用AD630鎖相放大器進行濾波處理，鎖相放大器是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻 （或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應。因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。能夠很好地濾除液位檢測信號頻率以外的干擾信號。鎖相濾波電路如圖6所示。

圖6 鎖相濾波電路Fig.6 Phase locked filter circuit

鎖相放大器AD630的輸入信號為儀表放大器放大的液位檢測信號，檢測信號上疊加了干擾信號。AD630的輸入信號Vio（由FPGA產生的方波信號）的頻率與檢測信號的頻率相同，相位差180°。從而很好地濾除干擾液位高度的雜波信號，AD630的輸出信號通過二階低通巴特沃斯濾波電路得到液位高度電壓信號。通過A/D轉換后，變成FPGA可識別的液位高度信號。傳感器的激勵信號幅值的檢測電路與液位檢測電路相同。最終，FPGA得到精度高、響應速度快的液位的高度與激勵信號的幅值。

3.4 電流輸出電路

濾波整流后的鋼水液位電壓信號和激勵幅值信號通過A/D轉換，在FPGA中進行數據處理，利用線性插值法，計算出鋼水液位的高度與測量電壓信號的對應關系，最終將液位信號轉化為4～20mA的電流信號輸出信號。電流信號輸出電路如圖7所示。

FPGA通過SPI接口控制MAX543進行D/A轉換。MAX543采用高精度、低漂移的間隙電壓源AD580提供2.5 V的參考電壓源，減小了溫度的漂移，保證了轉化的精度。液位電壓信號通過高精度的儀表放大器INA128反向比例放大，放大倍數為1。后通過推挽電路輸出電流I1，電流的輸出端口為P3接口，輸出電流 I1=-V1/（2.5R7），V1為 D/A 轉換的電壓。

圖7 電流輸出電路Fig.7 Current output circuit

3.5 FPGA控制電路

FPGA控制器采用Altera公司Cyclone IV的DB4CE15系列芯片做為主控制器。DB4CE15具有15408個邏輯單元，晶振最高頻率可達150 MHz，FPGA內嵌入內核處理器Nios II，Nios II的晶振頻率為100 MHz，能夠高速運行與處理數據。

Nios II處理器主要有控制2路A/D芯片采樣、驅動液晶屏顯示、輸出報警信號、控制FPGA輸出邏輯電路等功能。

FPGA控制器的輸出控制主要有激勵信號幅值控制輸出、方波信號的頻率和液位高度對應的電流輸出控制等。FPGA內部采用軟硬件協同設計的方法。邏輯控制、串行A/D和D/A、頻率產生等由FPGA硬件邏輯完成。線性化、人機交互等由NIOS II CPU軟件完成，較好地發揮了FPGA的功能。

FPGA控制D/A生成幅度可調的正弦波信號的時序圖如圖8所示。 data0～7控制正弦波幅度大小。Address0～4為地址選擇，當地址為00100時，寫信號WR為高電平時，將正弦波幅值信號 data0～7的 0x09寫入D/A芯片。

圖8 正弦波幅值控制波形Fig.8 Sine wave amplitude control

FPGA通過SPI接口控制MAX543芯片輸出電流，FPGA的輸出波形如圖9所示。其中load為MAX543的選擇線，SRI為MAX543的數據輸入線，CLK為MAX543的時鐘線。

圖9 FPGA輸出電流波形Fig.9 FPGA output current waveform control

4 測試結果分析

差分電磁式傳感器檢測結晶器內的鋼水液位高度時，傳感器存在一定的非線性誤差。測量鋼水高度量程設置為160 mm，測量實際液位高度與A/D采樣鋼水液位高度的采樣值如表1所示。A/D采樣值的量程為0～65536，對應著液位高度電壓值-5 V～+5 V。將表1的值轉化為曲線圖10所示。由圖10可知，在整個測量量程范圍內，差分傳感器存在非線性誤差，在測量鋼水液位高度100 mm以上時，A/D采樣值變化很小，靈敏度低。需要對A/D采樣值進行線性化處理。

表1 鋼水液位高度與A/D采樣值的關系Tab.1 Liquid level heightVS A/D sampling value

圖10 A/D采樣值與鋼水液位關系Fig.10 Liquid level height VS A/D sampling value

采用16點線性化，較好地反映出實際液位的變化，對鋼水液位的信號進行線性化處理后，由表2可知，液位的高度檢測的誤差在整個測量量程范圍內小于1.5 mm，滿足鋼水液位檢測需求。線性化處理后，鋼水液位的高度與輸出電流對應關系如圖11所示，鋼水液位的測量高度與電流輸出存在較好的線性關系。

表2 16點線性化后輸出電流與測量高度關系Tab.2 Output current VS measuring height after 16 point linearization

圖11 線性化后液位高度與輸出電流關系Fig.11 Output current VS measuring height after 16 point linearization

5 結語

差分式傳感器不但具有傳統傳感器非接觸測量、響應快、通用性強、使用安全和操作簡單等優點，還大大擴展了量程[7]，提高了檢測精度。本系統使用差分電磁式傳感器，信號變換通道采用高性能儀表放大器、高精度A/D轉換器和鎖相濾波處理，主控部分采用FPGA軟硬件協同設計，使得系統具有較高的檢測精度和可靠性。目前已在鋼鐵企業中得到實際應用。

[1]周洋，王景存，黃亮.基于單片機的結晶器鋼水液位檢測系統設計[J].電子設計工程，2013，21（10）：158-160.

[2]Barron M A，Aguilar R，et al.Stabilization of the molten steel level in the mold of a continuous casting machine by means vacauum[J].IEEE Transaction on Industry Applications，2000，36（3）：861-864.

[3]王保安，馬竹梧.連續鑄鋼結晶器鋼水液位自動控制及其實踐[J].冶金自動化，2001（4）：5-8.

[5]Measurements of molten steel/Flux interface phenomena in thin slabcasting[EB/OL].http：//www.library.ubc.ca/archives/retro_theses/.

[6]Keisuke Fujisaki，Takatsugu Ueyama.Magneto hydrodynamic calculation of in-mold electromagnetic stirring[J].IEEE Transactions on magnetic，1997，33（2）：1642-1645.

[7]李劍，丁天懷，徐玉錚，等.差動結構電渦流式液位傳感器性能改進與應用[J].儀表技術與傳感器，2003（2）：12-14.