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雷達料位計在水泥廠的應用和選型
一.概述
物位是水泥工業(yè)生產(chǎn)過程的主要測量參數(shù)之一,，和其他行業(yè)不同，在水泥工業(yè)中主要是固體物料的物位測量,，液位測量則很少,。固體物料種類繁多，有塊料,、顆粒狀,、粉料，這些物料的介電常數(shù),、容重,、溫度、水分含量也各不相同,。接觸式測量是過去測量物位的主要手段,，如電容式、重錘式,、音叉式,、阻旋式等測量方法，由于測量時儀表和物料是接觸的,，在使用過程中往往會出現(xiàn)各種問題,，如電容的掛料；重錘的斷錘,、埋錘,；音叉的堵料等，且日常的維護量很大,。到20世紀90年代,，水泥工業(yè)開始采用非接觸的物位測量，較早成熟的非接觸的測量技術有超聲波技術和核輻射技術（γ射線）,，核輻射技術因有放射源,，在應用上受到限制。
超聲波技術近幾年來發(fā)展很快,，是目前應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?。粚Ρ粶y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)占物位測量的領域，據(jù)統(tǒng)計近幾年來新設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,，天康公司的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，故雷達料位計的天線設計和形狀很關鍵關鍵,，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波管,，纜繩和導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，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 雷達料位計的選型
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,，在有攪拌器等復雜工況中也能識別有效回波,，價格相對也較便宜，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,。
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,，度更高（±0.2～±1% F.S）,。
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,也可選用大法蘭的帶有號角天線的非接觸型雷達料位計,，它實際上是把纜繩既當天線又作導波管，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?，取得較好的效果,，如海螺荻港、浙江三獅,、陜西耀縣,、甘肅祁連山等水泥廠。
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,、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。