雷达料位计的应用浅析
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摘要：针对雷达料位计在冶金化工行业应用中遇到的不同容器、不同介质及各种复杂的测量环境，利用雷达料位计的测量原理和特点，在安装和应用中采用相应的方法，解决连续生产过程中物位测量的各种问题，纠正雷达料位计在选型和安装中容易忽略的问题。并对实际应用过程中遇到的具体问题进行简要分析，提出合理解决方案。
关键词：雷达料位计 发射波 回波 天线 安装
1.前言
陕钢集团龙钢公司现有5座高炉，年产铁水约700万t，使用的是无料钟炉顶放料模式。在实际生产中，高炉料罐料位、高炉料仓料位等都是非常重要的数据，对于保证高炉炉况的顺行、稳产高产和生产安全性起着非常重要的作用。由于高炉炉内温度高（一般都超过300℃），高炉料位测量一直是个制约生产的瓶颈问题。过去高炉的料位大都采用机械式重锤测量，安装复杂，维护困难，测量精度差，数据不准确。随着自动化程度的提高，冶金化工行业相关企业一直致力于寻找使用寿命长、性能可靠、维护量小、测量精确度高、经济可行的解决方案，来解决高炉料位测量的需要。
目前，龙钢公司炼铁高炉采用BM700HA 喇叭天线式雷达料位计，经过近年来的实践应用，取得了较好的测量效果。
2.雷达料位测量原理和主要技术因素
雷达料位计采用非接触式测量方法，是一种理想的经济型产品，适用于储料罐、静井或外接腔体等.
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（即发射波），被测目标的微波被接收天线接收（即回波），信号处理器将发射信号与接收信号比较，计算出被测距离，并可算出相应的料位值。
微波脉冲来回传播时间t由下式决定：
t=2a/c (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，故测量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=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，将天线、喇叭口或安装导波管一直延伸到储料罐或仓内，来传递发送和接收的电磁波，增强回波的信号。
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。
在冶金化工行业，各种固体物料储存库或腔体内，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.雷达料位计的测量系统组成
高炉的雷达料位测量测量有3部分（如图2）
3.1 高炉料面测量
需要使用物位计测量准备添加到高炉内的矿料，料位控制需要保证料位维持在一定的高度，这一测量点需要的测量范围最大约为5～6m。
高炉布料仓的物料料位测量的主要的困难是,仓顶顶部的温度非常高，一般超过600℃，仓顶顶部厚度较大，约在1～1.5m左右。
3.2 对鱼雷罐铁水的测量
铁水温度达1000℃以上。被测量的介质是液体，因此主要问题是如何解决高温问题。 目前，陕钢集团龙钢公司炼铁高炉鱼雷罐铁水的测量应用不理想。
4.安装应注意的问题
（1）当测量液态物料时，传感器的轴线和介质表面保持垂直；当测量固态物料时，由于固体介质会有一个堆角，传感器要倾斜一定的角度。
（2）尽量避免在发射角内有造成假反射的装置。特别要避免在距离天线最近的1/3锥形发射区内有障碍装置（因为障碍装置越近，虚假反射信号越强）。若实在避免不了，建议用一个折射板将过强的虚假反射信号折射走。这样可以减小假回波的能量密度，使传感器较容易地将虚假信号滤出。
（3）要避开进料口，以免产生虚假反射。
（4）传感器不要安装在拱形罐的中心处（否则传感器收到的虚假回波会增强），也不能距离罐壁很近位置安装，最佳安装位置在容器半径的１／２处。
（5）要避免安装在有涡流的地方。
（6）若传感器安装在接管上，天线必须从接管伸出来。喇叭口天线伸出接管至少10mm。可以采取加大接管直径的方法，以减少由于接管产生的干扰回波。
5.应用中存在的问题及解决方法
有些工况下所使用的雷达料位计，因为传感器安装位置不当及条件所致，会出现了一些问题，下面就龙钢公司炼铁厂对雷达料位计在使用过程中遇到的问题及解决方案,供大家参考探讨。
（1）雷达料位计采用先进数据处理技术，加上雷达本身频率高，穿透性能好的特点，同时微波的运行几乎不受环境温度和压力的影响，同时操作简单，调试方便、准确安全、节省能源。但炉料由炉顶进入料罐时，炉料中的粉末极易覆盖雷达发射端，同时、雷达内部氮气吹扫存在着发散性和局限性，影响雷达了雷达料位计测量料位的准确性，最终造成料罐积料现象，直接影响高炉上料速度，值班工长及上料工无法准确判断料罐下料情况，造成物料剩余，料流阀关闭不严，下密阀密封损坏，高炉被迫休风的后果。
（2）具体措施：首先，将雷达发射端加大接管直径，安装在法兰上，法兰下装入一末端装入开放的圆锥体，牢牢固定；其次，在加长的圆锥体上安装多个氮气孔通道，注入氮气以降低雷达料位计喇叭口天线的过程温度，同时对雷达进行外围吹扫，形成保护气流，避免粉末物覆盖雷达端，最后，将圆锥体连同雷达一同装入料罐上侧。
（3）改进效果：通过改进，大大延长了检修人员对雷达清扫的周期，同时保证了雷达料位计的稳定性，进一步增进了料位测量的准确性，为高路正常的生产奠定了基础。
维修实例1：一台科隆bm70a液位计，故障现象是开机无输出。Bm70A系列是德国原产，控制距离40米，输出分为有源和无源输出4-20ma。有源就是输出外部需隔离栅转换，输出端带输出电压。无源输出液位计采用了光栅隔离技术，输出端不带电压，液位计和外部电压完全隔离，输出0-20ma信号，必需外部供电电源加上，才能检测出。
维修实例2：将雷达料位计对准一个固定物体，上电，雷达液位仪能自检定位，证明天线输出波和回馈信号正常；移动料位计，距离随着距离变化，证明输出反馈检测电路正常，功率电路也正常。故障应该出在输出光栅隔离后的电路。隔离端电压从+5v加到+12v，同样无输出4-20ma电流信号。果断开机，科隆bm70a雷达液位计的光栅隔离电路设计独特，设计在一个塑料的密封壳内，一来可以减少干扰，二是为了防尘。拆开塑料盒子检测电路板，光电转换电路模拟检测正常，后发现次级工作电压只有2.1v，正常应该4.7v以上，进一步检测，发现稳压芯片发热，代换同型号芯片，恢复塑料壳，加电测试输出4-20ma电流信号，完全随距离改变，至此，故障修复
6.结语
雷达料位计在高炉料位的测量比较特殊，很多单位使用过不同的测量方法，从龙钢的测量效果看，改进后的雷达料位计测量系统，可以充分发挥固体型雷达的特点，减少维护工作量，保证高炉的安全生产。
