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雷达料位计在水泥厂的应用与选型

    雷达料位计是水泥工业生产过程的主要量测参数之一,和其他行业不同,在水泥工业中主要是固体物料的物位量测,液位量测则很少。固体物料种类繁多,有块料、颗粒状、粉料,这些物料的介电常数、容重、温度、水分含量也各不相同。接触式量测是过去量测物位的主要手段,如电容式、重锤式、音叉式、阻旋式等量测方法,由于量测时仪表和物料是接触的,在使用过程中往往会出现各种问题,如电容的挂料;重锤的断锤、埋锤;音叉的堵料等,且日常的维护量很大。到20世纪90年代,水泥工业开始采用非接触的物位量测,较早成熟的非接触的量测技术有超声波技术和核辐射技术(γ射线),核辐射技术因有放射源,在应用上受到限制。
  超声波技术近几年来发展很快,是目前应用蕞广泛的非接触式量测方法,特别在液位量测。在水泥厂超声波物位量测已较普遍应用在原料调配库、原煤库、熟料库等,但超声波必须借助于媒质传播,如在水泥厂的储库物位量测通常以空气作为传播介质,而空气的温度、湿度、组分等的变化会影响超声波传播速度,空气中的粉尘也将衰减超声波的传播信号;当前超声波物位量测仅用于量测块料或颗粒状的物料,对粉仓料位的量测,由于粉仓料位表面在下料时非常疏松,对超声波信号有较强的衰减,故至今还没有测粉仓料位成功的先例。
  90年代末期,在过程检测领域出现了高性能、低价格的微波物位计即雷达料位计,所谓微波是电磁波,其频率范围为300MHz~300GHz,微波的传播速度为3×108m/s,如设频率为5.8GHz,在大气中波长约为52mm,其穿透力强,传播速度不受粉尘、蒸汽及介质组分的影响,传播衰减也很小;对被测固体物料除要求其介电常数ε>1.8外,物料的温度、压力、密度等几乎不影响对其准确的量测;现有雷达料位计在天线设计和形状确保了接受回波的能量;另外现场调试也十分简单,通过专用的软件,能把正确的回波迅速找到,并立即换算为物位值。由于比超声料位计有其更卓越的性能,近几年来,雷达料位计迅速、大量进入了过程检测仪表的市场,在各行业普遍使用。在水泥行业也几乎由雷达料位计统占物位量测的领域,据统计近几年来新设计的大型水泥厂和粉磨站的各类库和仓近90%采用了各种类型的雷达料位计,,还成功用在云南红塔滇西水泥公司的3条水泥生产线的8个水泥库中,和其他仪表组成了新型的FCS系统。
2 雷达料位量测原理和主要技术因素
   雷达料位计是利用回波测距原理。发射天线向被测目标发射微波,被测目标的微波被接收天线接收,信号处理器将发射信号与接收信号比较,计算出被测距离,并可算出相应的物位值。
  微波脉冲来回传播时间t由下式决定:t=   
     (1)式中:a—天线到被测目标的距离;
  c—微波传播的速度(光速)。
  由于微波在传播途径上有衰减和干扰反射,故量测的关键是要能接收到反射回波,并识别出有效回波。接收的回波能量Pk可用简化的雷达方程表示如下:
  Pk=PτxCxGiGtGr/r4    
     (2)式中:Pτ—天线辐射功率;
  C—经验系数,由经验决定;
  Gi—由目标表面介电特性及面积决定的反射增益;
    Gt,Gr—天线发射和接收效率;
  r—天线与目标间的距离。
  从式(2)知:接收的回波能量大小与天线的发射和接收效率以及天线辐射功率有关,故雷达料位计的天线设计和形状很关键,现有的天线除号角天线(喇叭口)和棒状天线外,还有平面天线和抛物面天线,为用于介电常数较小的物料,将缆绳作为天线或安装导波管,缆绳和导波管一直延伸到库或仓底,由此来传递发送和接收的电磁波,增强了回波的信号。
  从式(2)还知:接收的回波能量大小与物料表面的介电特性有关,介电常数ε高,反射率高,得到的回波强度也高;介电常数ε低,物料会吸收部分微波的能量,回波强度也较低。通常要求被测物料的介电常数ε:液体为ε>1.8,固体ε>2.5,水泥厂固体ε>2.5,水泥的介电常数ε为3。
  在水泥工厂,各种固体物料储存在库或仓里,都存在物料的安息角,回波反射也会象超声波一样存在漫反射,产生干扰回波和假回波,通过软件可排除干扰回波和假回波,但有效回波强度会减少很多,故设计选型时,要考虑衰减,选量程要留有一定的余量。
3 雷达料位计的选型
3.1  脉冲型雷达
  用于测物位的雷达料位计通常分为两类:脉冲型雷达(Pulse)和调频连续波雷达(FMCW)。在过程监测场合主要选用脉冲型雷达,由于其频率较低(6.3GHz),并且在天线结构设计时充分考虑了冷凝、积料等影响,还能利用超声波料位计中的回波信号处理,在有搅拌器等复杂工况中也能识别有效回波,价格相对也较便宜.
3.2 颗粒状物料的选型
  在水泥厂原料大多是颗粒状物料,个别是块料,如石灰石、原煤、页岩等,其半成品熟料也是颗粒状物料,储存在库或仓里,都存在物料的安息角,但也有反射介面。根据入料和卸料所形成的物料安息角和表面情况,在确定有效量程后,建议采用非接触型的雷达料位计,即带有棒形或号角形天线的料位计。如用接触型的雷达料位计,会产生对缆绳较大的下拉力,造成事故。根据水泥厂信息反馈,号角形天线的料位计回波更强,精确度更高(±0.2%~±1%F.S),常用型号为PULS54。
3.3 粉状物料的选型
  在水泥厂和粉磨站水泥库一般有4~8个,在水泥厂还有生料均化库和粉煤灰库,这些物料全是粉料,非常难测其料位。在库里的粉料表面极为疏松,微波反射相当困难,为此建议采用接触型雷达料位计,也可选用大法兰的带有号角天线的非接触型雷达料位计,它实际上是把缆绳既当天线又作导波管,合二为一,微波脉冲从探头发出后沿缆绳传播,当脉冲遇到物料表面时会被反射回来,其量程可达35m,被测物料的介电常数ε蕞低为1.6,另外缆绳的耐磨和忍受的蕞大下拉力,能满足水泥厂各类粉料库的检测要求。