高頻雷達物位計在料位測量中的應用

王大千

高頻雷達物位計在料位測量中的應用

Application of High Frequency Radar Material Position Meter in Measurement

王大千

1 問題的提出

由于水泥廠固態物料具有高磨損性和大容量的特點，接觸式料位計，例如重錘，有許多諸如過度磨損和維修方面的缺陷，并且在使用過程中存在鋼纜斷裂和重錘掉落入物料的危險。如果鋼纜及重錘掉入容器會損壞料倉的下料裝置，并且導致昂貴的維修成本和潛在的停產風險。

水泥生產的填料周期會產生大量的粉塵，超聲波物位計測量信號會產生很大的能量損耗，從而導致嚴重的信號衰減。水泥生產線有氣動料倉，也有料倉有底部吹氣系統來均勻物料，比如生料均化庫、水泥成品庫，這些料倉內都有濃度極高的粉塵。另外，部分物料的高溫也限制了超聲傳感器的選擇，比如熟料倉里的熟料。

在水泥生產線，大多數物位測量傳感器都安裝在料倉頂部，而其中有些料倉高度甚至可能高達80m，且部分料倉底部還采用倒錐型結構并增加底吹來均勻混合物料，產生濃度極高的粉塵，這使得采用普通的料位計測量相當困難，特別是電梯無法使用的時候，人為上料倉監測更為麻煩，給生產帶來極大的不穩定性。

水泥行業的工況基本涵蓋了固態物料料位測量的所有挑戰，例如：濃度極高的粉塵、高溫、大量程、機械磨損嚴重、低介電常數等等。而現今非接觸式微波（雷達）物位計已成為水泥生產物位測量的首選，也成為了絕大多數固態物料料位測量的首選。

自2011年，我們嘗試使用了一種高頻的雷達料位計，在水泥庫、生料均化庫等以往測量效果不理想的地方安裝后，使用效果比較理想，基本克服了高濃度粉塵、物料界面不清晰、安裝位置靠近庫頂鋼梁等不良影響，測量值穩定，沒有以前的死機、測量值跳躍等現象。而且，這種高頻雷達料位計體積很輕巧，安裝很方便。

2 高頻雷達料位計

SITRNAS LR560是一款全新的微波（雷達）物位計，首次采用了78GHz高頻微波技術，及透鏡式平面天線。天線直徑不到3″(接近2.5″)，波束角僅4°，可采用3″法蘭安裝，長達1m的安裝立管都不會影響測量（立管直徑需大于3″）。

SITRNAS LR560是一款專為固態物料設計的微波（雷達）物位計，由于其采用78GHz高頻微波，微波波長僅3.85mm，可以在很細的顆粒表面產生良好的信號反射，對傾斜的固態物料表面也能可靠測量，是固態物料料位測量的最佳解決方案。

SITRNAS LR560分標準型和增強型：標準型量程為40m；增強型達100m，過程溫度200℃，主要用于測量固態物料的料位。整個儀表重量約3.15kg，比同類產品輕很多，尺寸也小，攜帶、安裝都很簡單。只有4°的窄波束角，使安裝時容易避開倉內障礙物，且對安裝條件幾乎無要求。SITRNAS LR560還配置了吹掃接口，可連接氣源對天線進行吹掃，這個配置應用于高介電常數物料易粘附的工況能達到較好的效果。

該產品安裝后幾乎不需要任何調整，參數設置快速、簡便，可用表頭按鍵或紅外手操器操作，支持中文操作界面，極大地方便了中國客戶的使用。圖形化界面可以很方便地在幾十秒內完成設置，甚至不需要操作手冊。SITRANS LR560采用FMCW方式，24VDC 供電，二線制 4～20mA/Hart輸出，節約安裝、布線的時間和成本。

3 性能特點

目前世界上的微波（雷達）物位計有脈沖法（Pulse）和連續調頻法（FMCW）兩種。

脈沖波測距是由天線向被測物料面發射一個微波脈沖，當接收到被測物料面上反射回來的回波后，測量兩者時間差(即微波脈沖的行程時間)，來計算到物料表面的距離。由于微波以光速傳播，因此脈沖技術其微波發射和返回之間的時差非常小，對于幾十米的距離時間差為納秒級。

連續調頻(FMCW)技術是用間接方法來測量距離。因為微波發射和返回時差太小，直接測量難以達到高精度，故轉換成頻率量的差值來測量，可以達到穩定、可靠、高精度的測量效果。天線發射一個頻率被線性調制的微波連續信號，頻率線性上升，所接收到的回波信號頻率也是線性上升的，兩者的頻率差與離目標的距離成一定比例（見圖1）。SI?TRANS LR560采用的就是FMCW技術，在固態物料測量中即使存在高粉塵工況，也能保證高穩定性、高可靠性的物位測量目的。

目前微波物位計使用的微波頻率主要有三個頻段：C波段(5.8～6.3GHz)、X 波段(9～10.5GHz)、K 波段(24～26GHz)。SITRANS LR560 是 首款突破K波段（24～26GHz），采用高達78GHz技術的超高頻微波（雷達）物位計。

不同頻段因波長不一樣，導致天線尺寸、適用物料有所不同。物位測量中的微波一般是定向發射的，通常用波束角來定量表示微波發射和接收的方向性，對于常用的圓錐形喇叭天線來說，微波的頻率越高，波束的聚焦性能越好，即波束角越小，更有利于避開障礙物；并且，微波的頻率越高，其喇叭尺寸也可以做得越小，更易于開孔、安裝，這些在實際應用中很重要。

例如：K 波段(24～26GHz)微波（雷達）物位計需采用4″喇叭天線達到 8°波束角，而 C波段(5.8～6.3GHz)微波（雷達）物位計需采用8″喇叭天線達到17°波束角，這種較寬的波束，如果安裝不得當，將會受到料倉內部結構產生的較多的虛假回波，而SITRANS LR560由于其78GHz超高頻技術（屬于E波段60～90GHz），用直徑不到3″的天線就可達到只有4°的窄波束角（見圖2）。X波段（9～10.5GHz）微波（雷達）物位計由于沒有明顯的應用特點，近幾年各大物位廠商基本上已經停止了這一技術的發展和應用。

SITRANS LR560非常窄，只有4°的窄波束角，可有效避開料倉中的障礙物，且幾乎不受安裝立管的影響；最小3″的小尺寸天線，在哪里都可以安裝，且搬運、開孔、安裝都很方便（較低頻率需要使用大尺寸天線）；超短的波長，只有3.85mm，可在傾斜的固態物料表面產生異常良好的信號反射，針對固態物料安息角所需的瞄準器通常不再需要了。這些都受益于SITRANS LR560獨創的78GHz技術。

4 高頻雷達料位計的使用情況

我廠在過去十多年里在物位測量方面嘗試了多種技術，其中包括重錘、超聲、激光、電容及其他品牌的微波（雷達）物位計，但使用效果不佳，測量不穩定，且之前的很多料位計的維修成本相當高，遇到突發情況，也不能清洗更換，SITRNAS LR560以其安裝簡單、測量非常穩定、可靠、免維護的性能獲得了良好的使用效果。

SITRANS LR560在我廠生料均化庫進行試用，效果非常穩定、可靠（見圖3）。

在整個水泥生產工藝中，生料均化庫的料位的監測是最具挑戰性的，也是非常重要的。在水泥生產中不僅僅用均化庫的物位讀數來控制料倉的料位和均化的質量，而且指定計劃生產數量和安排關機時間都需要均化庫的料位值。雖然這是一個關鍵過程，但得到可靠的連續測量在過去幾乎是不可能的。

因為均化庫是將各種原料混合到均化狀態，料倉要求同時且持續地填料和放空以混合物料，這就形成了不斷變化的物料表面；均化庫內結構復雜，倉底為倒錐型結構，并有底吹來均勻物料，使得倉內不斷裝滿各種氣體，產生濃度極高的粉塵和不清晰的界面。從生料庫頂部觀察，只有不超過5m的可見范圍；且生料均化庫一般都為大量程應用，我廠的生料均化庫庫高38m。這些都使得可靠的物位測量變得更加困難。

圖4為SITRNAS LR560在我廠均化庫料位的中控室數據趨勢圖。SITRNAS LR560不受均化庫中極度粉塵的影響，測量非常穩定、可靠，保證了料倉物位的準確性，提高了生產效率和產量。SITRNAS LR560可靠的物位監測使得經營者可實時、有效地控制生產過程。

我廠的熟料倉也進行了SITRNAS LR560的試用，該熟料倉倉高28m高。熟料一般在裝入料倉時溫度還是很高的，而且粉塵很大。高溫、高粉塵對超聲波技術而言是個很大的挑戰，因此我廠現在用SITRNAS LR微波（雷達）料位計，來監控熟料料倉的物位。裝料時溢出會涉及安全問題，而SI?TRNAS LR微波（雷達）料位計確保了此類事情不會發生，SITRNAS LR560在熟料倉使用效果良好，其回波曲線見圖5。

5 結語

憑借78GHz技術、小尺寸天線和窄波束角，SITRANS LR560已經成為現今市面上最先進、簡單、可靠的固態物料料位測量微波（雷達）物位計。在未來的幾年里，預計更高頻率的78GHz技術將取代25GHz技術，因為它提供了一個更小的天線和窄波束，可廣泛應用于各種工況，是安裝和調試費用更低、性能更好的解決方案。

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趙 蓮