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雷達(dá)料位計(jì)在水泥廠的應(yīng)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(shí)儀表和物料是接觸的，在使用過程中往往會(huì)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(hù)量很大。到20世紀(jì)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(shù)有超聲波技術(shù)和核輻射技術(shù)（γ射線），核輻射技術(shù)因有放射源，在應(yīng)用上受到限制。
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(chǔ)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(huì)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(hào)；當(dāng)前超聲波物位測量僅用于測量塊料或顆粒狀的物料，對(duì)粉倉料位的測量，由于粉倉料位表面在下料時(shí)非常疏松，對(duì)超聲波信號(hào)有較強(qiáng)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(jià)格的微波物位計(jì)即雷達(dá)料位計(jì)，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(qiáng)，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?duì)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(duì)其準(zhǔn)確的測量；現(xiàn)有雷達(dá)料位計(jì)在天線設(shè)計(jì)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(jì)有其更的性能，近幾年來，雷達(dá)料位計(jì)迅速、大量進(jìn)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(dá)料位計(jì)統(tǒng)占物位測量的領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計(jì)近幾年來新設(shè)計(jì)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(dá)料位計(jì)，天康公司的PLUS54現(xiàn)場總線型PA雷達(dá)料位計(jì)，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(gè)水泥庫中，和其他儀表組成了新型的FCS系統(tǒng)。
二． 雷達(dá)料位測量原理和主要技術(shù)因素
雷達(dá)料位計(jì)是利用回波測距原理。發(fā)射天線向被測目標(biāo)發(fā)射微波，被測目標(biāo)的微波被接收天線接收，信號(hào)處理器將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)比較，計(jì)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(shí)間t由下式?jīng)Q定：
t= （1）
式中a—天線到被測目標(biāo)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(shí)別出有效回波。接收的回波能量Pk可用簡化的雷達(dá)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(yàn)系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)決定
Gi——- 由目標(biāo)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(biāo)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(dá)料位計(jì)的天線設(shè)計(jì)和形狀很關(guān)鍵關(guān)鍵，現(xiàn)有的天線除號(hào)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(qiáng)了回波的信號(hào)。
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(qiáng)度也高；介電常數(shù)ε低，物料會(huì)吸收部分微波的能量，回波強(qiáng)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(chǔ)存在庫或倉里，都存在物料的安息角，回波反射也會(huì)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(qiáng)度會(huì)減少很多，故設(shè)計(jì)選型時(shí)，要考慮衰減，選量程要留有一定的余量。
三 雷達(dá)料位計(jì)的選型
1．脈沖型和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)
用于測物位的雷達(dá)料位計(jì)通常分為兩類：脈沖型雷達(dá)（Pulse）和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW）。在過程監(jiān)測場合主要選用脈沖型雷達(dá)，由于其頻率較低（6.3GHz），并且在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了冷凝、積料等影響，還能利用超聲波料位計(jì)中的回波信號(hào)處理，在有攪拌器等復(fù)雜工況中也能識(shí)別有效回波，價(jià)格相對(duì)也較便宜，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)由于發(fā)射功率大，量程大，價(jià)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(chǔ)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(dá)料位計(jì)，即帶有棒形或號(hào)角形天線的料位計(jì)。如用接觸型的雷達(dá)料位計(jì)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)纜繩較大的下拉力，造成事故。根據(jù)水泥廠信息反饋，號(hào)角形天線的料位計(jì)回波更強(qiáng)，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(gè)，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(dāng)困難，為此建議采用接觸型雷達(dá)料位計(jì),也可選用大法蘭的帶有號(hào)角天線的非接觸型雷達(dá)料位計(jì)，它實(shí)際上是把纜繩既當(dāng)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(dāng)脈沖遇到物料表面時(shí)會(huì)被反射回來，其量程可達(dá)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(dá)料位計(jì)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。
4．二線制
目前使用的雷達(dá)料位計(jì)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(hào)，可節(jié)省大量電纜；同時(shí)還提供HART數(shù)字信號(hào)和各種協(xié)議的現(xiàn)場總線的數(shù)字通信功能，和計(jì)算機(jī)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(jī)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(dòng)化系統(tǒng)一個(gè)重要組成部分，雷達(dá)料位計(jì)的應(yīng)用解除了人們對(duì)水泥廠的物位測量的疑慮，現(xiàn)有雷達(dá)料位計(jì)在品種、度、標(biāo)準(zhǔn)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。