雷達料位計在水泥廠的應用與選型

1　概述
　　物位是水泥工業生產過程的主要測量參數之一，和其他行業不同，在水泥工業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、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有超聲波技術和核輻射技術（γ射線），核輻射技術因有放射源，在應用上受到限制。
　　超聲波技術近幾年來發展很快，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配庫、原煤庫、熟料庫等，但超聲波必須借助于媒質傳播，如在水泥廠的儲庫物位測量通常以空氣作為傳播介質，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；另外現場調試也十分簡單，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，在各行業普遍使用。在水泥行業也幾乎由雷達料位計統占物位測量的領域，據統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條水泥生產線的8個水泥庫中，和其他儀表組成了新型的FCS系統。
2　雷達料位測量原理和主要技術因素
　　雷達料位計是利用回波測距原理。發射天線向被測目標發射微波，被測目標的微波被接收天線接收，信號處理器將發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由下式決定：
　　t=　　　（1）
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　　　　（2）
式中：Pτ—天線輻射功率；
　　　C—經驗系數，由經驗決定；
　　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ε高，反射率高，得到的回波強度也高；介電常數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.

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，會產生對纜繩較大的下拉力，造成事故。根據水泥廠信息反饋，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庫，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、水泥庫和粉煤灰庫的料位，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　結論
　　水泥廠的物位測量是水泥生產線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水泥廠的物位測量的疑慮，現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。