雷達料位計

一.概述

超聲波技術(shù)近幾年來發(fā)展很快,，是目前應(yīng)用廣泛的非接觸式測量方法，特別在液位測量,。在水泥廠超聲波物位測量已較普遍應(yīng)用在原料調(diào)配庫,、原煤庫,、熟料庫等，但超聲波必須借助于媒質(zhì)傳播,，如在水泥廠的儲庫物位測量通常以空氣作為傳播介質(zhì),，而空氣的溫度、濕度,、組分等的變化會影響超聲波傳播速度,，空氣中的粉塵也將衰減超聲波的傳播信號;當前超聲波物位測量僅用于測量塊料或顆粒狀的物料，對粉倉料位的測量,，由于粉倉料位表面在下料時非常疏松,，對超聲波信號有較強的衰減，故至今還沒有測粉倉料位成功的先例,。

九十年代末期,，在過程檢測領(lǐng)域出現(xiàn)了高性能、低價格的微波物位計即雷達料位計,，所謂微波是電磁波,，其頻率范圍為300MHz~300GHz, 微波的傳播速度為3x108 m/s, 如設(shè)頻率為5. 8GHz, 在大氣中波長約為52mm，其穿透力強,，傳播速度不受粉塵,、蒸汽及介質(zhì)組分的影響，傳播衰減也很小;對被測固體物料除要求其介電常數(shù)ε>1.8外,，物料的溫度,、壓力、密度等幾乎不影響對其準確的測量;現(xiàn)有雷達料位計在天線設(shè)計和形狀確保了接受回波的能量;另外現(xiàn)場調(diào)試也十分簡單,，通過的軟件,，能把正確的回波迅速找到，并立即換算為物位值,。由于比超聲料位計有其更的性能,，近幾年來，雷達料位計迅速,、大量進入了過程檢測儀表的市場,，在各行業(yè)普遍使用。在水泥行業(yè)也幾乎由雷達料位計統(tǒng)占物位測量的領(lǐng)域,，據(jù)統(tǒng)計近幾年來新設(shè)計的大型水泥廠和粉磨站的各類庫和倉近90%采用了各種類型的雷達料位計,，天威公司的PLUS54現(xiàn)場總線型PA雷達料位計，還成功用在云南紅塔滇西水泥公司的3條水泥生產(chǎn)線的八個水泥庫中,，和其他儀表組成了新型的FCS系統(tǒng),。

二. 雷達料位測量原理和主要技術(shù)因素

雷達料位計是利用回波測距原理。發(fā)射天線向被測目標發(fā)射微波,，被測目標的微波被接收天線接收,，信號處理器將發(fā)射信號與接收信號比較,，計算出被測距離，并可算出相應(yīng)的物位值,。

微波脈沖來回傳播時間t由下式?jīng)Q定:

t= (1)

式中a-天線到被測目標的距離

c-微波傳播的速度(光速)

由于微波在傳播途徑上有衰減和干擾反射,，故測量的關(guān)鍵是要能接收到反射回波，并識別出有效回波,。接收的回波能量Pk可用簡化的雷達方程表示如下:

Pk=Pτx C x GiGtGr/r4 (2)

式中: Pτ-天線輻射功率

C --- 經(jīng)驗系數(shù),，由經(jīng)驗決定

Gi--- 由目標表面介電特性及面積決定的反射增益

Gt，Gr-天線發(fā)射和接收效率

r-天線與目標間的距離

從式(2)知:接收的回波能量大小與天線的發(fā)射和接收效率以及天線輻射功率有關(guān),，故雷達料位計的天線設(shè)計和形狀很關(guān)鍵關(guān)鍵,，現(xiàn)有的天線除號角天線(喇叭口)和棒狀天線外，還有平面天線和拋物面天線,，為用于介電常數(shù)較小的物料,，將纜繩作為天線或安裝導(dǎo)波管，纜繩和導(dǎo)波管一直延伸到庫或倉底,，由此來傳遞發(fā)送和接收的電磁波,，增強了回波的信號,。

從式(2)還知:接收的回波能量大小與物料表面的介電特性有關(guān),，介電常數(shù)ε高，反射率高,，得到的回波強度也高;介電常數(shù)ε低,，物料會吸收部分微波的能量，回波強度也較低,。通常要求被測物料的介電常數(shù)ε:液體為ε>1.8,固體ε>2.5,， 水泥廠固體ε>2.5，水泥的介電常數(shù)ε為3,。

在水泥工廠,，各種固體物料儲存在庫或倉里，都存在物料的安息角,，回波反射也會象超聲波一樣存在漫反射,，產(chǎn)生干擾回波和假回波，通過軟件可排除干擾回波和假回波,，但有效回波強度會減少很多,，故設(shè)計選型時，要考慮衰減,，選量程要留有一定的余量,。

三   雷達料位計選型

1.脈沖型和調(diào)頻連續(xù)波雷達

用于測物位的雷達料位計通常分為兩類:脈沖型雷達(Pulse)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(FMCW)。在過程監(jiān)測場合主要選用脈沖型雷達,，由于其頻率較低(6.3GHz),，并且在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮了冷凝,、積料等影響，還能利用超聲波料位計中的回波信號處理,，在有攪拌器等復(fù)雜工況中也能識別有效回波,，價格相對也較便宜，故在水泥行業(yè)中主要采用了以江蘇建恒公司為代表的JH-UHZ型脈沖型雷達和E+H的Micropilot M FMR型,，調(diào)頻連續(xù)波雷達由于發(fā)射功率大,，量程大，價格也有較大下降,，而且可靠性高,，故近在水泥行業(yè)已較多采用了以江蘇建恒公司為代表的JH-UHZ型調(diào)頻連續(xù)波雷達。

2.顆粒狀物料的選型

在水泥廠原料大多是顆粒狀物料,，少數(shù)是塊料,，如石灰石、原煤,、頁巖等,，其半成品熟料也是顆粒狀物料，儲存在庫或倉里,，都存在物料的安息角,，但也有反射介面。根據(jù)入料和卸料所形成的物料安息角和表面情況,，在確定有效量程后,，建議采用非接觸型的雷達料位計，即帶有棒形或號角形天線的料位計,。如用接觸型的雷達料位計,，會產(chǎn)生對纜繩較大的下拉力，造成事故,。根據(jù)水泥廠信息反饋,，號角形天線的料位計回波更強，精確度更高(±0.2~±1% F.S),常用型號為JH-UHZ

3.粉狀物料的選型

在水泥廠和粉磨站水泥庫一般有4~8個,，在水泥廠還有生料均化庫和粉煤灰?guī)?，這些物料全是粉料，非常難測其料位,。在庫里的粉料表面非常疏松,，微波反射相當困難，為此建議采用接觸型雷達料位計,也可選用da法蘭的帶有號角天線的非接觸型雷達料位計,，較典型的產(chǎn)品有VEGA-FLEX52K和E+H的FMP40纜式雷達料位計,，它實際上是把纜繩既當天線又作導(dǎo)波管，合二為一，微波脈沖從探頭發(fā)出后沿纜繩傳播,，當脈沖遇到物料表面時會被反射回來,，其量程可達35m，被測物料的介電常數(shù)ε低為1.6,另外纜繩的耐磨和忍受的大下拉力,，能滿足水泥廠各類粉料庫的檢測要求,。目前已有許多水泥廠用纜式雷達料位計測量水泥庫和粉煤灰?guī)斓牧衔唬〉幂^好的效果,，如海螺荻港,、浙江三獅、陜西耀縣,、甘肅祁連山等水泥廠,。由于均化庫的工況復(fù)雜，建議采用VEGA-PULS68或西門子的產(chǎn)品,，型號為SITRANS LR400,，24GHz，量程大為45m,，四線制,。

4.二線制

目前使用的雷達料位計大多是一體化的產(chǎn)品，由二線制供電,，可直接接控制系統(tǒng)的模塊,，輸出4~20mA的模擬信號，可節(jié)省大量電纜;同時還提供HART數(shù)字信號和各種協(xié)議的現(xiàn)場總線的數(shù)字通信功能,，和計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接非常方便,，既可在現(xiàn)場調(diào)試;也可用PC 機在控制室調(diào)試，如組成FCS系統(tǒng)還可在操作員站調(diào)試,。

四. 結(jié)論

水泥廠的物位測量是水泥生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)一個重要組成部分，雷達料位計的應(yīng)用解除了人們對水泥廠的物位測量的疑慮,，現(xiàn)有雷達料位計在品種,、精確度、標準材料,、耐壓,、耐高溫、防爆等方面都能滿足水泥廠檢測和控制的要求,。選型優(yōu)勢

調(diào)頻連續(xù)波雷達料位計的技術(shù)優(yōu)勢:用于液體或固體的非接觸液位變送器 不受電導(dǎo)常數(shù),，溫度，壓力和密度變化影響,， 雷達料位計的精度可達±1mm 測量范圍可達100m ,，罐底跟蹤(TBF)方式用于測量低電導(dǎo)常數(shù)，介質(zhì)法蘭溫度可達250ºC 介質(zhì)溫度-60ºC-600ºC 壓力可達64bar HART,，通訊方式PA,，F(xiàn)F,，RS485 ATEX爆炸測試認證。

導(dǎo)波雷達料位計的技術(shù)優(yōu)勢:雷達料位計對液體,、顆粒及漿料連續(xù)物位測量,。測量不受介質(zhì)變化、溫度變化,、惰性氣體及蒸汽,、粉塵、泡沫等的影響,。雷達料位計的精度為5mm,，量程60米，耐250度高溫,、40公斤高壓,，雷達料位計適用于爆炸危險區(qū)域。

技術(shù)參數(shù)

MONITOR 四線導(dǎo)波雷達料位計的參數(shù)如下:

精 度 液體:量程小于6m時,，5mm/測量值0.02%

固體:20mm

溫度漂移 0.01%/℃

重 復(fù) 性 0.3mm或1mm

介質(zhì)溫度 -50~250℃

法蘭溫度 -30~200℃/150℃防爆型

環(huán)境溫度 -20~50℃

耐 壓 40bar/可選100bar(在20℃并使用316SS法蘭)

表頭顯示 LCD可選

標準輸出 4~20mA/HART/RS485/Profibus-PA/FF

故障診斷輸出 22mA

供 電 100~240VAC/ 21~27VDC

外殼材料 鑄鋁還氧涂層

防護等級 IP67

防 爆 ATEX II 1G 或II 1/2 D T 100℃ EEX ia II

C T6...T3或EEX ia II B T6...T3

重 量 8Kg(無探頭)/9Kg(無探頭,，防爆)