雷達料位計應用探析

王艷 丁維華

摘 要：料位是工業生產過程的主要測量參數之一，冶金工業主要采用非接觸式的雷達波技術進行料位測量。本文闡述了雷達料位計的工作原理、特點，并就其在應用研究中的安裝、維護提出具體建議，為合理選擇和應用雷達料位計提供了一些可以借鑒的經驗和方法。

關鍵詞：介電常數；料位測量；雷達料位計

1、雷達料位計的基本原理

雷達波是一種特殊形式的電磁波，雷達料位計利用了電磁波的特殊性能來進行料位檢測。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，被測量介質導電性越好或介電常數越大，回波信號的反射效果越好。

發射—反射—接收是雷達式料位計工作的基本原理。即：

h=H-vt/2

h—料位；

H—槽高；

v—雷達波速度；

t—雷達發射到接收的間隔時間。

雷達料位計以時域反射原理（TDR：Time Domain Reflectometry）為基礎，時域反射原理首先是用于通訊電纜的故障檢測，如今將導波雷達料位計成功應用于工業測量領域。

2、對先進技術的關注

2.1 回波處理新技術的應用

雷達料位計是通過處理雷達波從探頭發射到介質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 測量數據的處理

由于料位表面波動和隨機噪聲等因素影響，檢測信號中必然混有大量噪聲。為了提高檢測的準確度，必須對檢測信號進行處理，盡可能消除噪聲，經過大量實驗驗證，采用數據平滑方法可以達到滿意的效果。此方法也可有效的克服波動料位表面對測量的影響。

2.3 最新雷達料位計的特點

雷達料位計具有以下三點比接觸式料位計和同類非接觸式超聲波料位計更加優良的性能：

1）可在惡劣條件下連續準確地測量；

2）操作簡單，調試方便；

3）準確安全且節省能源。

3 雷達料位計的選型

3.1 脈沖型和調頻連續波雷達

用于測料位的雷達料位計通常分為兩類：脈沖型雷達（Pulse）和調頻連續波雷達（FMCW）。在過程監測場合主要選用脈沖型雷達，由于其頻率較低（6.3GHz），并且在天線結構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，故在冶金行業中主要采用了以VEGA公司為代表的VEGAPULS型脈沖型雷達和E+H的FMR型雷達；調頻連續波雷達由于發射功率大，量程大，故最近在冶金行業已較多采用了以SIEMENS公司為代表的LR型調頻連續波雷達。

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。

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，較典型的產品有VEGA—FLEX52K和E+H的FMP40纜式雷達料位計，它實際上是把纜繩既當天線又作導波管，合二為一，微波脈沖從探頭發出后沿纜繩傳播，當脈沖遇到物料表面時會被反射出來，其量程可達70m，被測物料的介電常數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料位計測量氧化鋁倉和粉煤灰庫的料位，取得較好的效果，如青鋼峽、云南富源等電解鋁廠。

3.4 二線制

目前使用的雷達料位計大多是一體化的產品，由二線制供電，可直接控制系統的模塊，輸出4～20mA的模擬信號，可節省大量電纜；同時還提供HART數字信號和各種協議的現場總線的數字通信功能，和計算機監控系統連接非常方便，既可在現場調試，也可用PC機在控制室調試，如組成FCS系統還可在操作員站調試。

4 安裝應注意的問題

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

2）盡量避免在發射角內有造成假反射的裝置。特別要避免在距離天線最近的1/3錐形發射區內有障礙裝置（因為障礙裝置越近，虛假反射信號越強）。3）要避開進料口，以免產生虛假發射。

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），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渦流的地方。在有攪拌或很強的化學反應的地方，可以采用加裝導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，以減少由于接管產生的干擾回波。

7）關于導波管天線：導波管內壁一定要光滑，下面開口的導波管必須達到需要的最低液位，這樣才能在管道中進行測量。傳感器的類型牌要對準導波管的軸線。若被測介電常數小于4，需在導波管末端安裝反射板，或將導波管末端彎成一個彎度，將容器底的反射回波折射走。

5、應用中存在的問題及解決方法

有些工況下所使用的雷達料位計，因為傳感器安裝位置不當及條件所致，出現了一些問題，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鎖的辦法，解決這一難題。

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

3）關于泡沫對測量的影響：干泡沫和濕泡沫能將雷達波反射回來，對測量無影響；中性泡沫則會吸收和擴散雷達波，因而嚴重影響回波的反射甚至沒有回收。當介質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疤，但在清洗期間不能進行料位測量。

6、結語

電解鋁廠的料位測量是生產自動化系統一個重要組成部分，雷達料位計的應用解除了人們對料位測量的疑慮。另外，雷達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、維護最方便的料位測量儀表，其應用將會越來越廣泛，在料位測量中發揮起來越重要的作用。

參考文獻：

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

（作者單位：貴州航天烏江機電設備有限責任公司）