雷達(dá)料位計應(yīng)用探析

王艷 丁維華

摘 要：料位是工業(yè)生產(chǎn)過程的主要測量參數(shù)之一，冶金工業(yè)主要采用非接觸式的雷達(dá)波技術(shù)進(jìn)行料位測量。本文闡述了雷達(dá)料位計的工作原理、特點(diǎn)，并就其在應(yīng)用研究中的安裝、維護(hù)提出具體建議，為合理選擇和應(yīng)用雷達(dá)料位計提供了一些可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和方法。

關(guān)鍵詞：介電常數(shù)；料位測量；雷達(dá)料位計

1、雷達(dá)料位計的基本原理

雷達(dá)波是一種特殊形式的電磁波，雷達(dá)料位計利用了電磁波的特殊性能來進(jìn)行料位檢測。電磁波的物理特性與可見光相似，傳播速度相當(dāng)于光速。其頻率為300MHz-3000GHz。電磁波可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源，遇到障礙物易于被反射，被測量介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號的反射效果越好。

發(fā)射—反射—接收是雷達(dá)式料位計工作的基本原理。即：

h=H-vt/2

h—料位；

H—槽高；

v—雷達(dá)波速度；

t—雷達(dá)發(fā)射到接收的間隔時間。

雷達(dá)料位計以時域反射原理（TDR：Time Domain Reflectometry）為基礎(chǔ)，時域反射原理首先是用于通訊電纜的故障檢測，如今將導(dǎo)波雷達(dá)料位計成功應(yīng)用于工業(yè)測量領(lǐng)域。

2、對先進(jìn)技術(shù)的關(guān)注

2.1 回波處理新技術(shù)的應(yīng)用

雷達(dá)料位計是通過處理雷達(dá)波從探頭發(fā)射到介質(zhì)表面然后返回到探頭的時間來測量料位的，在反射信號中混合有許多干擾信號。

2.2 測量數(shù)據(jù)的處理

由于料位表面波動和隨機(jī)噪聲等因素影響，檢測信號中必然混有大量噪聲。為了提高檢測的準(zhǔn)確度，必須對檢測信號進(jìn)行處理，盡可能消除噪聲，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用數(shù)據(jù)平滑方法可以達(dá)到滿意的效果。此方法也可有效的克服波動料位表面對測量的影響。

2.3 最新雷達(dá)料位計的特點(diǎn)

雷達(dá)料位計具有以下三點(diǎn)比接觸式料位計和同類非接觸式超聲波料位計更加優(yōu)良的性能：

1）可在惡劣條件下連續(xù)準(zhǔn)確地測量；

2）操作簡單，調(diào)試方便；

3）準(zhǔn)確安全且節(jié)省能源。

3 雷達(dá)料位計的選型

3.1 脈沖型和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

用于測料位的雷達(dá)料位計通常分為兩類：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，故在冶金行業(yè)中主要采用了以VEGA公司為代表的VEGAPULS型脈沖型雷達(dá)和E+H的FMR型雷達(dá)；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)由于發(fā)射功率大，量程大，故最近在冶金行業(yè)已較多采用了以SIEMENS公司為代表的LR型調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。

3.2 顆粒狀物料的造型

在冶金廠原料大多是顆粒狀物料，少數(shù)是塊料，如石油焦、原煤等，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(dá)料位計，即帶有棒形或號角形天線的料位計。

3.3 粉狀物料的選型

在電解鋁廠中有新鮮氧化鋁庫和含氟氧化鋁庫，這些物料全是粉料，非常難測其料位。為此建議采用接觸型雷達(dá)料位計，也可選用大法蘭的帶有號角天線的非接觸型雷達(dá)料位計，較典型的產(chǎn)品有VEGA—FLEX52K和E+H的FMP40纜式雷達(dá)料位計，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會被反射出來，其量程可達(dá)70m，被測物料的介電常數(shù)ε最低為1.6，另外纜繩的耐磨和忍受的最大下拉力，能滿足電解鋁廠各類粉料庫的檢測要求。目前已有許多電解鋁廠用纜式雷達(dá)料位計測量氧化鋁倉和粉煤灰?guī)斓牧衔唬〉幂^好的效果，如青鋼峽、云南富源等電解鋁廠。

3.4 二線制

目前使用的雷達(dá)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)場總線的數(shù)字通信功能，和計算機(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。

4 安裝應(yīng)注意的問題

1）當(dāng)測量液態(tài)物料時，傳感器的軸線和介質(zhì)表面保持垂直；當(dāng)測量固態(tài)物料時，由于固體介質(zhì)會有一個堆角，傳感器要傾斜一定的角度。

2）盡量避免在發(fā)射角內(nèi)有造成假反射的裝置。特別要避免在距離天線最近的1/3錐形發(fā)射區(qū)內(nèi)有障礙裝置（因?yàn)檎系K裝置越近，虛假反射信號越強(qiáng)）。3）要避開進(jìn)料口，以免產(chǎn)生虛假發(fā)射。

4）傳感器不要安裝在拱形罐的中心處（否則傳感器收到的虛假回波會增強(qiáng)），也不能距離罐壁很近安裝，最佳安裝位置在容器半徑的1/2處。

5）要避免安裝在有很強(qiáng)渦流的地方。在有攪拌或很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)的地方，可以采用加裝導(dǎo)波管或旁通管的方式，以減少渦流對測量的影響。

6）若傳感器安裝在接管上，天線必須從接管伸出來。喇叭口天線伸出接管至少10mm。棒式天線接管長度最大100或250mm。接管直徑最小250mm。可以采取加大接管直徑的方法，以減少由于接管產(chǎn)生的干擾回波。

7）關(guān)于導(dǎo)波管天線：導(dǎo)波管內(nèi)壁一定要光滑，下面開口的導(dǎo)波管必須達(dá)到需要的最低液位，這樣才能在管道中進(jìn)行測量。傳感器的類型牌要對準(zhǔn)導(dǎo)波管的軸線。若被測介電常數(shù)小于4，需在導(dǎo)波管末端安裝反射板，或?qū)?dǎo)波管末端彎成一個彎度，將容器底的反射回波折射走。

5、應(yīng)用中存在的問題及解決方法

有些工況下所使用的雷達(dá)料位計，因?yàn)閭鞲衅靼惭b位置不當(dāng)及條件所致，出現(xiàn)了一些問題，下面對一些使用中的問題提出解決方案，供大家參考。

1）探頭結(jié)疤和頻繁故障的解決方法：第一個辦法是將探頭安裝位置提高，或采用將料位測量值與該槽的泵聯(lián)鎖的辦法，解決這一難題。

2）雷達(dá)料位計被淹相應(yīng)的改進(jìn)辦法：是將雷達(dá)料位計改為導(dǎo)波管式測量，可以改善儀表測量條件，提高儀表測量性能，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

3）關(guān)于泡沫對測量的影響：干泡沫和濕泡沫能將雷達(dá)波反射回來，對測量無影響；中性泡沫則會吸收和擴(kuò)散雷達(dá)波，因而嚴(yán)重影響回波的反射甚至沒有回收。當(dāng)介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時，測量誤差較大或無法測量。

4）對于天線結(jié)疤的處理：可用壓縮空氣吹掃（或清水沖洗），且冷卻的壓縮空氣可降低法蘭和電器元件的溫度。還可用酸性清洗液清洗堿性結(jié)疤，但在清洗期間不能進(jìn)行料位測量。

6、結(jié)語

電解鋁廠的料位測量是生產(chǎn)自動化系統(tǒng)一個重要組成部分，雷達(dá)料位計的應(yīng)用解除了人們對料位測量的疑慮。另外，雷達(dá)料位計是目前各類料位測量儀表中適用范圍最廣、測量最精確、維護(hù)最方便的料位測量儀表，其應(yīng)用將會越來越廣泛，在料位測量中發(fā)揮起來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡崢嶸，張光勝.雷達(dá)液位計應(yīng)用探析[J]計量技術(shù)，2007，（6）：69-71

（作者單位：貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司）