水泥厂用雷达料位计的应用和选型

水泥厂用雷达料位计的应用和选型
一.概述
　　物位是水泥工业生产过程主要测量参数之一，和其他行业不同，水泥工业中主固体物料物位测量，液位测量则很少。固体物料种类繁多，有块料、颗粒状、粉料，这些物料介电常数、容重、温度、水分含量也各不相同。接触式测量是过去测量物位主要手段，如电容式、重锤式、音叉式、阻旋式等测量方法，测量时仪表和物料是接触，使用过程中往往会出现各种问题，如电容挂料；重锤断锤、埋锤；音叉堵料等，且日常维护量很大。到20世纪90年代，水泥工业开始采用非接触物位测量，较早成熟非接触测量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，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*广泛非接触式测量方法，特别液位测量。水泥厂超声波物位测量已较普遍应用原料调配库、原煤库、熟料库等，但超声波必须借助于媒质传播，如水泥厂储库物位测量通常以空气作为传播介质，而空气温度、湿度、组分等变化会影响超声波传播速度，空气中粉尘也将衰减超声波传播信号；当前超声波物位测量仅用于测量块料或颗粒状物料，对粉仓料位测量，粉仓料位表面下料时非常疏松，对超声波信号有较强衰减，故至今还没有测粉仓料位成功先例。
　　九十年代末期，过程检测领域出现了高性能、低价格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,微波传播速度为3x108 m/s, 如设频率为5. 8GHz,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，物料温度、压力、密度等几乎不影响对其准确测量；现有雷达料位计天线设计和形状确保了接受回波能量；另外现场调试也十分简单，专用软件，能把正确回波迅速找到，并立即换算为物位值。比超声料位计有其更**性能，近几年来，雷达料位计迅速、大量进入了过程检测仪表市场，各行业普遍使用。水泥行业也几乎由雷达料位计统占物位测量领域，据统计近几年来新设计大型水泥厂和粉磨站各类库和仓近90%采用了各种类型雷达料位计。
二． 雷达料位测量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—天线到被测目标距离
c—微波传播速度（光速）
微波传播途径上有衰减和干扰反射，故测量关键是要能接收到反射回波，并识别出有效回波。接收回波能量Pk可用简化雷达方程表示如下：
Pk=Pτx C x GiGtGr/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反射增益
Gt，Gr—天线发射和接收效率
r—天线与目标间距离
　　从式（2）知：接收回波能量大小与天线发射和接收效率以及天线辐射功率有关，故雷达料位计天线设计和形状很关键关键，现有天线除号角天线（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电磁波，增强了回波信号。
　　从式（2）还知：接收回波能量大小与物料表面介电特性有关，介电常数ε高，反射率高，到回波强度也高；介电常数ε低，物料会吸收部分微波能量，回波强度也较低。通常要求被测物料介电常数ε：液体为ε>1.8,固体ε>2.5，水泥厂固体ε>2.5，水泥介电常数ε为3。
　　水泥工厂，各种固体物料储存库或仓里，都存物料安息角，回波反射也会象超声波一样存漫反射，产生干扰回波和假回波，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，选量程要留有一定余量。
三 雷达料位计选型
1．脉冲型和调频连续波雷达
　　用于测物位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）。过程监测场合主要选用脉冲型雷达，其频率较低（6.3GHz），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回波信号处理，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。
2．颗粒状物料选型
　　水泥厂原料大多是颗粒状物料，少数是块料，如石灰石、原煤、页岩等，其半成品熟料也是颗粒状物料，储存库或仓里，都存物料安息角，但也有反射介面。入料和卸料所形成物料安息角和表面情况，确定有效量程后，建议采用非接触型雷达料位计，即带有棒形或号角形天线料位计。如用接触型雷达料位计，会产生对缆绳较大下拉力，造成事故。水泥厂信息反馈，号角形天线料位计回波更强，**度更高（±0.2～±1%F.S）。
3．粉状物料选型
　　水泥厂和粉磨站水泥库一般有4～8个，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。库里粉料表面非常疏松，微波反射相当困难，为此建议采用接触型雷达料位计,也可选用大法兰带有号角天线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，被测物料介电常数ε*低为1.6,另外缆绳耐磨和忍受*大下拉力，能满足水泥厂各类粉料库检测要求。
4．二线制
　　目前使用雷达料位计大多是一体化产品，由二线制供电，可直接接控制系统模块，输出4～20mA模拟信号，可节省大量电缆；同时还提供HART数字信号和各种协议现场总线数字通信功能，和计算机监控系统连接非常方便，既可现场调试；也可用PC机控制室调试，如组成FCS系统还可操作员站调试。
四． 结论
　　水泥厂物位测量是水泥生产线自动化系统一个重要组成部分，雷达料位计应用解人们对水泥厂物位测量疑虑，现有雷达料位计品种、**度、标准材料、耐压、耐高温、防爆等方面都能满足水泥厂检测和控制要求。