雷達探尺的研究與應(yīng)用

邢增彬

（中環(huán)天儀股份有限公司，天津 300384）

0 引言

目前市場上，常見的雷達液位計大致可分為3大類，包括脈沖雷達液位計、導(dǎo)波雷達液位計及調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達液位計。前兩種液位計都屬于脈沖式雷達液位計，其工作原理一樣，都是通過測量時間差來計算液位高度的。發(fā)射的都是脈沖信號，不同的是前者由喇叭天線發(fā)射的脈沖信號是經(jīng)過調(diào)制的，是非接觸式的雷達液位計；后一種液位計發(fā)射的是經(jīng)線性調(diào)制的連續(xù)調(diào)頻波，是通過測量頻率差來計算液位高度的，調(diào)頻范圍越大，測得距離越遠，線性度越好，分辨率越高。脈沖雷達液位計和FMCW雷達液位計都屬于非接觸式液位計，優(yōu)勢在于可在具有腐蝕性的測量環(huán)境中使用，但是兩者都采用喇叭式天線發(fā)射信號，信號傳輸受到喇叭口的影響，測較遠距離時，信號會在容器壁內(nèi)多次反射，對真實回波信號的檢測造成干擾。在測量介電常數(shù)較小的液面時，其反射回波信號幅度較小，會難以識別，對測試結(jié)果造成影響。

目前高爐探尺只掌握在少數(shù)幾家國外品牌手中（西門子、羅斯蒙特等），國內(nèi)很少有廠家涉足此細(xì)分市場，高爐探尺附加值高，容易提高廠家在該行業(yè)的地位。

圖1 雷達液位計的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of radar level meter

本文主要是通過改進雷達液位計的工藝結(jié)構(gòu)與增加外附降溫設(shè)備來提高雷達的耐溫能力，并應(yīng)用到高爐工況中。其中主要是雷達的天線部分，正常未PTFE，耐溫200℃以內(nèi)。通過改變天線材質(zhì)，增加耐高溫性；外部增加氮氣吹掃系統(tǒng)阻隔瞬時溫度對于儀表的影響；再增加高溫閥門，使儀表易于維護。

1 雷達探尺的結(jié)構(gòu)與特點

1.1 雷達液位計的原理、結(jié)構(gòu)及特點

雷達液位計采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。雷達液位計的天線發(fā)射出電磁波，這些波經(jīng)被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時間與到液面的距離成正比，關(guān)系式如下：

式中：

D——雷達液位計到液面的距離。

C——光速。

T——電磁波運行時間。

雷達液位計記錄脈沖波經(jīng)歷的時間，而電磁波的傳輸速度為常數(shù)，則可算出液面到雷達天線的距離，從而知道液面的液位[1]。

傳統(tǒng)雷達液位計不帶任何降溫設(shè)備，耐溫性差，不能滿足復(fù)雜工況的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 雷達探尺結(jié)構(gòu)及特點

與普通的物位計相比，本發(fā)明能夠應(yīng)用在1400℃以內(nèi)的高溫高粉塵的環(huán)境中，它由三級吹掃系統(tǒng)組成：1）雷達探尺第一級吹掃系統(tǒng)，在喇叭口內(nèi)形成旋風(fēng)，控制儀表工作在正常溫度下，不易損壞使用壽命長；2）導(dǎo)波管中加入了吹掃系統(tǒng)，兩路氣源作用在喇叭口外壁上，立管內(nèi)形成旋風(fēng)，防止立管側(cè)壁結(jié)渣，降低前面變送器與第一級系統(tǒng)溫度；3）在閘板閥中加入了吹掃系統(tǒng)，在長時間應(yīng)用時，閘板閥不易堵塞，降低第一級與第二級變送器與結(jié)構(gòu)部件的溫度，便于儀表維護與更換；4）采用三級氮氣吹掃系統(tǒng)利于降低儀表溫度，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護與更換、更換不影響生產(chǎn)，實用性強、智能化程度較高。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2～圖6所示。

圖2 雷達探尺的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of radar probe ruler

圖3 兩根吹掃氣路管設(shè)置示意圖Fig.3 A schematic diagram of two blowpipe settings

圖4 吹掃喇叭氣路管設(shè)置示意圖Fig.4 Schematic diagram of blowing horn air tube setup

圖5 閘板閥氣路管設(shè)置示意圖[2]Fig.5 Schematic diagram of airpipe arrangement for thyristor valve[2]

圖6 吹掃連接片氣路管設(shè)置示意圖Fig.6 Schematic diagram of blow-up connection sheet gas pipe setup

2 雷達探尺技術(shù)實現(xiàn)的方案

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種雷達高溫探尺是一種可同時滿足高溫?zé)Y(jié)、燒結(jié)揚灰、復(fù)雜罐體組合的特殊工況雷達物位計系統(tǒng)。

2.1 技術(shù)方案

一種雷達高溫探尺，包括雷達變送器（4）、連接有氣缸（3-1-3）的閘板閥（3-1），其特征在于：所述雷達高溫探尺由三級吹掃系統(tǒng)構(gòu)成，一級吹掃系統(tǒng)（1）包括：帶有法蘭（1-1-1）的吹掃適配器（1-1）、吹掃連接片（1-2）、吹掃喇叭（1-3）、四氟發(fā)射極（1-4）；二級吹掃系統(tǒng)（2）包括：帶有法蘭（2-2）的立管（2-1）；三級吹掃系統(tǒng)（3）包括：閘板閥（3-1）、保護套（3-2）。

所述吹掃適配器（1-1）上設(shè)有一個中孔I（1-1-2）、兩個吹掃氣路孔（1-1-3）；兩個吹掃氣路孔（1-1-3）進口各自連接一個NPT接頭（5）。

所述吹掃連接片（1-2）上設(shè)有一個中孔II（1-2-1）、兩個吹掃孔I（1-2-2）。

所述吹掃喇叭（1-3）上端法蘭面上設(shè)有一圈凹槽（1-3-1），在凹槽（1-3-1）內(nèi)設(shè)有兩個盲孔（1-3-2）和一個沿伸到喇叭內(nèi)的錐形吹掃孔（1-3-3），兩個盲孔（1-3-2）各自連通一個吹掃孔II（1-3-4），兩個吹掃孔II（1-3-4）水平設(shè)置在法蘭中與錐形吹掃孔（1-3-3）相通，兩個吹掃孔II（1-3-4）的孔口相對并錯位設(shè)置，兩個孔心不在一個水平線上。

所述立管（2-1）上設(shè)有兩個進氣孔I（2-1-1），兩個進氣孔I（2-1-1）相對并錯位設(shè)置，兩個孔心不在一個水平線上。

所述閘板閥（3-1）上蓋板（3-1-1）上設(shè)有進氣孔II（3-1-11），下蓋板（3-1-2）上設(shè)有吹掃孔IV（3-1-21）。

所述吹掃適配器（1-1）的一端與雷達變送器（4）螺接在一起，吹掃適配器（1-1）的另一端通過吹掃連接片（1-2）與吹掃喇叭（1-3）連接，所述立管（2-1）的一端套入吹掃喇叭（1-3），通過法蘭（2-2）與吹掃適配器（1-1）上的法蘭（1-1-1）連接，立管（2-1）的另一端與閘板閥（3-1）上蓋板（3-1-1）焊接在一起，所述閘板閥（3-1）下蓋板（3-1-2）與保護套（3-2）焊接在一起，兩端為錐形的所述四氟發(fā)射極（1-4），一端設(shè)置在吹掃適配器（1-1）的中孔I（1-1-2）中，另一端穿過吹掃連接片（1-2）中孔II（1-2-1）設(shè)置在吹掃喇叭（1-3）的錐形吹掃孔（1-3-3）中。

2.2 雷達高溫探尺三級吹掃系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

第一級吹掃系統(tǒng)：將氮氣通過兩個NPT接頭（5）引入吹掃適配器（1-1）的兩個吹掃氣路孔（1-1-3）中并依次通過吹掃連接片（1-2）上的兩個吹掃孔I（1-2-2）、吹掃喇叭（1-3）的兩個吹掃孔II（1-3-4）的孔口進入到吹掃喇叭（1-3）的錐形吹掃孔（1-3-3）內(nèi)，由于吹掃喇叭（1-3）的兩個吹掃孔II（1-3-4）的孔口相對并錯位設(shè)置，氮氣氣流在吹掃喇叭（1-3）內(nèi)形成了旋風(fēng)，降低雷達變送器的溫度。

第二級吹掃系統(tǒng)：將氮氣引入兩個相對并錯位設(shè)置的立管（2-1）兩個進氣孔I（2-1-1）進入立管（2-1），兩股錯位引入的氣流打到吹掃喇叭（1-3）外壁處，在立管（2-1）內(nèi)形成旋風(fēng)，降低雷達變送器與第一級吹掃系統(tǒng)的溫度。

第三級吹掃系統(tǒng)：將氮氣引入閘板閥（3-1）上蓋板（3-1-1）進氣孔II（3-1-11）中，通過下蓋板（3-1-2）吹掃孔IV（3-1-21）形成平面吹掃，降低雷達變送器（4）與一、二級吹掃到系統(tǒng)的溫度；從而降低溫度對雷達變送器（4）的影響，使雷達變送器（4）在高溫環(huán)境中正常工作。

3 結(jié)論

雷達探尺是用于煉鐵生產(chǎn)中測量高爐爐內(nèi)料位的專用設(shè)備。超強粉塵穿透能力，數(shù)據(jù)無延時。爐內(nèi)測量精度可達10cm，雷達探尺基于使用雷達微波測量的方法，通過完善吹掃、冷卻、導(dǎo)波等技術(shù)，精確導(dǎo)出料面的實時位置數(shù)據(jù)。實現(xiàn)真正免人工維護，無需備件。冷氣封型微波雷達物位測量系統(tǒng)安裝于高爐預(yù)存室的頂部，是專門用于高溫環(huán)境中非接觸連續(xù)測量固體顆粒介質(zhì)位置的設(shè)備。其基于使用微波雷達測量料面的方法，通過導(dǎo)波、吹掃、冷卻等保護技術(shù)處理，實現(xiàn)連續(xù)測定預(yù)存室內(nèi)部赤熱焦炭料位的功能，成為特種環(huán)境中理想的連續(xù)測量的工具[3]。