雷達料位計的原理及應(yīng)用

　　一、概述

　　雷達料位計是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要參數(shù)。料位測量的方法很多，針對不同的工況和介質(zhì)可以使用不同測量原理的料位計，吹氣法、靜壓式、浮球式、重錘式、超聲波等幾種常用的料位測量儀表，都有各自的特點和應(yīng)用范圍。雷達料位計運用先進的雷達測量技術(shù)，以其優(yōu)良的性能，尤其是在槽罐中有攪拌、溫度高、蒸汽大、介質(zhì)腐蝕性強、易結(jié)疤等惡劣的測量條件下，顯示出其卓越的性能，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。。

　　二、原理及技術(shù)性能

　　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(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。

　　雷達波的頻率越高，發(fā)射角越小，單位面積上能量(磁通量或場強)越大，波的衰減越小，雷達料位計的測量效果越好。

　　1.雷達料位計的基本原理

　　雷達式料位計組成：它主要由發(fā)射和接收裝置、信號處理器、天線、操作面板、顯示、故障報警等幾部分組成。

　　發(fā)射-反射-接收是雷達式料位計工作的基本原理。雷達傳感器的天線以波束的形式發(fā)射最小5.8GHz的雷達信號。反射回來的信號仍由天線接收，雷達脈沖信號從發(fā)射到接收的運行時間與傳感器到介質(zhì)表面的距離以及物位成比例。

　　即：h= H–vt/2

　　式中 h為料位;H為槽高; v為雷達波速度;t為雷達波發(fā)射到接收的間隔時間;

　　2.雷達料位計測量料位的先進技術(shù)：

　　(1)測量數(shù)據(jù)處理：

　　從雷達料位計的測量原理可以知道，雷達料位計是通過處理雷達波從探頭發(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，所以，對真實回波的處理和對各種虛假回波的識別技術(shù)就成為雷達料位計能夠準確測量的關(guān)鍵因素。

　　(2)回波處理新技術(shù)的應(yīng)用

　　由于液面波動和隨機噪聲等因素的影響，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(jīng)過大量的實驗驗證，采用數(shù)據(jù)平滑方法可以達到滿意的效果。此方法也可有效的克服罐內(nèi)攪拌器對測量的影響。

　　(3)雷達料位計的特點：

　　由于雷達料位計采用了上述先進的回波處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，加上雷達波本身頻率高，穿透性能好的優(yōu)點，所以，雷達料位計具有比接觸式料位計和同類非接觸料位計更加優(yōu)良的性能。

　?、倏稍趷毫訔l件下連續(xù)準確地測量。

　?、诓僮骱唵?，調(diào)試方便。

　?、蹨蚀_安全且節(jié)省能源。

　?、軣o需維修且可靠性強。

　?、輲缀蹩梢詼y量所有介質(zhì)。

　　三、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(因為障礙裝置越近，虛假反射信號越強)。若實在避免不了，建議用一個折射板將過強的虛假反射信號折射走。這樣可以減小假回波的能量密度，使傳感器較容易地將虛假信號濾出。

　　(3)要避開進料口，以免產(chǎn)生虛假反射。

　　(4)要避免安裝在有很強渦流的地方。如：由于攪拌或很強的化學(xué)反應(yīng)等，建議采用導(dǎo)波管或旁通管測量。

　　(5)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。

　　(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?？梢圆扇〖哟蠼庸苤睆降姆椒ǎ詼p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(dǎo)波管開孔的軸線。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。

　　四、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料位計，因為傳感器安裝位置不當(dāng)及條件所致，出現(xiàn)了一些問題，下面將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，但是有時候安裝條件限制，不能提高的情況下，就應(yīng)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：將最高料位設(shè)定值減小0.5m左右，當(dāng)料位達到該最高值時，即可停進料泵或開啟出料泵。

　　2.雷達料位計被淹相應(yīng)的改進辦法

　　解決這種問題的辦法是將雷達料位計改為導(dǎo)波管式測量。仍在原開孔處安裝導(dǎo)波管式雷達料位計，導(dǎo)波管高于排汽管0.2m左右，這樣一來，即使出現(xiàn)料漿從排汽管溢出的惡劣工況，也不會使料位計天線被料漿淹沒，而且避免了攪拌器渦流的干擾及大量蒸汽從探頭處冒出，減少了對探頭的損害，同時由于導(dǎo)波管聚焦效果好，接收的雷達波信號更強，取得了很好的測量效果。使用導(dǎo)波管測量方式，可以改善表計測量條件，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波。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，在這種工況下，雷達料位計不具有優(yōu)勢，這是其應(yīng)用的局限性。

　　4.對于天線結(jié)疤的處理：

　　介電常數(shù)很小的掛料在干燥狀態(tài)下對測量無影響，而介電常數(shù)很高的掛料則對測量有影響?？捎脡嚎s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行料位測量。

　　現(xiàn)以北京中航科儀測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的雷達料位計及其他型號料位計進行說明在各個行業(yè)使用的具體情況及效果

　　雷達料位計：水泥廠使用的情況

　　水泥生產(chǎn)中的原料、半成品、成品均為粒塊狀或粉狀固體物料，對其進行料位測量的場合很多，除生料、煤粉、水泥、混合材庫外，篦冷機下料、立窯的卸料等工藝環(huán)節(jié)都有使用。隨著水泥生產(chǎn)自動化水平和控制系統(tǒng)可靠性要求的提高，料位測量控制的作用日益突出。按生產(chǎn)工藝要求，雷達料位計料位測量裝置有2類，一是極限料位檢測，即料位開關(guān)，一般有上、下限2個檢測點。一旦料面達到預(yù)先設(shè)定的料位，即發(fā)出控制信號，使喂料或卸料設(shè)備進行相應(yīng)的動作。二是連續(xù)料位測量，有定時測定和需要時進行測定2種工作方式，用于較精確掌握料面高度的場合。有時為較好滿足工藝要求，在一個料庫上既設(shè)置連續(xù)測量的料位計，又配置固定高度的料位開關(guān)，即2種料位計各司其職，互相補充。

　　雷達料位計實際采用的料位計種類很多，必須針對不同工藝物料要求、不同料庫，選用不同的料位計。下面對水泥廠常用的料位計應(yīng)用進行介紹。

　　1　電容式料位計

　　電容式料位計原理是插入料倉中的電極與料倉壁之間構(gòu)成電容器，當(dāng)倉內(nèi)物料料位變化引起電容量的變化時，通過轉(zhuǎn)換電路得到相應(yīng)的控制信號。因為電容量是連續(xù)變化的，因此該料位計可以用作連續(xù)式料位測量，也可用作料位開關(guān)，作為報警或喂料、卸料設(shè)備的輸入信號。該料位計有造價低、無機械磨損、安裝和維修方便等特點。傳統(tǒng)的方式是通過調(diào)頻振蕩電路實現(xiàn)電容量到頻率的轉(zhuǎn)換，又經(jīng)限幅放大及鑒頻器的線性化，得到相應(yīng)的電壓或電流信號。若使用一段時間后電極(探頭)上粘有物料，則往往會導(dǎo)致控制器誤動作，現(xiàn)已由傳統(tǒng)的檢測電容量發(fā)展為檢測探頭與倉壁間導(dǎo)納的方式。

　　依據(jù)量程的大小和控制方式的不同，電極設(shè)計成桿(棒)式或鋼纜(重型鋼纜)式，可使用于各種料倉?，F(xiàn)在的新型產(chǎn)品為全密封一體化安裝結(jié)構(gòu)，采用射頻振蕩器和數(shù)字集成電路，無運動機械部件，“數(shù)字標定技術(shù)”使得用戶可以在空倉的狀態(tài)下一次完成標定，功能齊全、性能可靠、控制及時、顯示直觀。

　　安裝此類料位計時應(yīng)注意選取合適的安裝點，避開下料口;注意信號線的屏蔽和接地，防止干擾。但倉內(nèi)物料溫度、濕度、運動速度的變化以及物料粘掛倉壁和電極等因素的影響，引起電容介電常數(shù)的變化。因此，若用作連續(xù)料位檢測，其測量精度不高，通常用作料位開關(guān)。必須定期檢查探頭和料位開關(guān)動作情況并進行校驗。

　　2　阻旋式料位計如阻旋料位開關(guān)

　　阻旋式料位計是一種料位開關(guān)。它也有不同的檢測控制方式，如某產(chǎn)品的基本原理是同步微電動機經(jīng)減速后，帶動檢測葉片以2.5～5r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)被測物料的料位上升使葉片的轉(zhuǎn)動受到阻礙時，檢測機構(gòu)便圍繞主軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。此位移首先使一個微動開關(guān)動作，發(fā)出有料位信號。隨后另一個微動開關(guān)動作，切斷電動機電源使其停轉(zhuǎn)。只要此料位不變這種狀態(tài)便一直保持下去。當(dāng)料位下降至葉片失去阻擋時，檢測機構(gòu)便依靠彈簧拉力使其恢復(fù)原始狀態(tài)。一個微動開關(guān)先動作，接通電動機電源使其旋轉(zhuǎn)，隨后另一個微動開關(guān)動作發(fā)出無料信號，只要沒有物料阻擋檢測葉片的轉(zhuǎn)動，此種狀態(tài)也將一直保持下去。為防止使用中物料的沖擊，庫側(cè)安裝時應(yīng)在檢測葉片上方的料倉內(nèi)壁上方安裝防護板;如采用加長軸頂置垂直安裝時，則應(yīng)在軸套外安裝保護套筒。此種料位開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護方便，多用作粉狀物料料倉的料滿開關(guān)，但不適合高溫下工作。

　　3　射頻導(dǎo)納料位計(γ射線料位計)

　　γ射線料位計常用作料位開關(guān)。工作原理是在料庫的一側(cè)設(shè)置同位素源，在另一側(cè)設(shè)置探測器，同位素源向探測器定向發(fā)射γ射線，若庫內(nèi)料面低于它，探測器檢測得出料空信號;若庫內(nèi)料面高于它，則物料遮擋、吸收γ射線，探測器檢測得出料滿信號。依據(jù)料倉的形狀和工藝要求，γ射線料位計可安裝在不同的位置。它是非接觸式測量，常用于工作環(huán)境惡劣的大型混凝土料庫，如水泥熟料庫。此時，要求所用的同位素源強，常用Co60源，源強達50～100mCi。γ射線料位計還廣泛用在立窯的卸料料封控制上。γ射線被管中的熟料所吸收，探測器發(fā)出料滿信號啟動下面的卸料電振機。此時γ射線料位計的同位素源常用源強較低的且半衰期很長的Co137源。

　　它還可以用作窯尾預(yù)熱器防堵的料位報警或者選粉機下料管的鎖風(fēng)。因有時接收器靠近熱源，易導(dǎo)致信號失真和儀器壽命縮短，因此在高溫環(huán)境工作時應(yīng)重視冷卻問題。它的特點是日常運行維護工作量小，操作簡單，但也存在γ射線料位計放射源污染環(huán)境，放射源的衰減使料位控制不可靠等不足。

　　4　超聲波料位計又叫超聲波液位計

　　超聲波料位計裝置是利用聲納原理來確定容器內(nèi)物料料位的，是一種在線聲納定位設(shè)備。超聲波換能器發(fā)出的超聲波脈沖，通過空氣傳到物料的界面并被反射，測出超聲波脈沖從發(fā)射到換能器接收所用的時間，再根據(jù)空氣中的聲速，就可計算出換能器到物料面的距離，從而確定料位。物料表面的松散程度，對超聲波信號的衰減影響很大;若料倉中彌漫料塵時，超聲波會被料塵吸收，從而使信號有所衰減，且粉料粘附在換能器表面等原因都嚴重影響料位測量的準確性。因此，超聲波料位測量裝置適合塊狀物料的連續(xù)料位監(jiān)測。

　　為解決該類儀器的不足，某些生產(chǎn)廠家，通過采用新材料、新技術(shù)，提高了換能器發(fā)射強度，避免了換能器的掛料、堵塞現(xiàn)象，并能應(yīng)用于高溫環(huán)境。在控制電路設(shè)計中，增加鑒別真?zhèn)涡盘柕墓δ?，使研制的超聲波料位計成功?yīng)用于水泥倉。筆者曾到北京某混凝土攪拌站現(xiàn)場考察過某大學(xué)聲學(xué)研究所的儀器，發(fā)現(xiàn)它安裝和使用方便，測量數(shù)據(jù)精確。

　　5　雷達料位計

　　雷達料位計工作原理和超聲波料位計類似，它發(fā)射的微波是一種電磁波，其傳播速度不受介質(zhì)的特性影響。它是利用電磁波回波測距原理來實現(xiàn)料位測量的。微波從天線出發(fā)，到達被測目標經(jīng)反射再被天線接收，按微波來回傳播時間來計算的距離反映了料位。一般有脈沖雷達和調(diào)頻連續(xù)波雷達2種。由于受粉塵、料面坡度及物料松散程度的影響，微波在傳輸過程中會有衰減，影響其準確性和可靠性。某公司生產(chǎn)的纜式導(dǎo)波雷達可以解決傳統(tǒng)雷達料位計上述缺點。它的原理是高頻脈沖從探頭發(fā)出后沿纜繩傳播，當(dāng)脈沖遇到料位表面時將會反射回來，由接收器接收，信號經(jīng)轉(zhuǎn)換成料位信號。由于微波沿纜繩傳播，脈沖的強度和方向性均不受粉塵及料面松散程度的影響。同時可通過軟件設(shè)計對干擾進行抑制。其傳播纜繩經(jīng)過耐磨性、下拉力試驗，可以適應(yīng)水泥廠的工況，此種料位計測量精度高，已在水泥廠成功應(yīng)用。但產(chǎn)品價格高使應(yīng)用范圍受限制。

　　五、結(jié)束語

　　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。隨著其價格的進一步降低，性價比的提高，應(yīng)用將會越來越廣泛，在料位測量中發(fā)揮越來越重要的作用。本文對其進行系統(tǒng)的闡述，旨在為廣大維護人員更好地使用和掌握它，希望能對大家提供一些借鑒和幫助。