雷達料位計在水泥廠的應用與選型

1　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(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，是目前應用zui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。
　　90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3×108m/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，，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8個水泥庫中，和其他儀表組成了新型的FCS系統(tǒng)。
2　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，并可算出相應的物位值。
　　微波脈沖來回傳播時間t由下式?jīng)Q定：
　　t=　　?。?）
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=PτxCxGiGtGr/r4　　　?。?）
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，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。
3　雷達料位計的選型


3.1　脈沖型雷達
　　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.

3.2　顆粒狀物料的選型
　　在水泥廠原料大多是顆粒狀物料，個別是塊料，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）,常用型號為PULS54。
3.3　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。在庫里的粉料表面極為疏松，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)εzui低為1.6,另外纜繩的耐磨和忍受的zui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均化庫、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。
3.4　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。
4　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。