雷達(dá)料位計(jì)的原理及應(yīng)用

　　一、概述

　　雷達(dá)料位計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要參數(shù)。料位測(cè)量的方法很多，針對(duì)不同的工況和介質(zhì)可以使用不同測(cè)量原理的料位計(jì)，吹氣法、靜壓式、浮球式、重錘式、超聲波等幾種常用的料位測(cè)量?jī)x表，都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。雷達(dá)料位計(jì)運(yùn)用先進(jìn)的雷達(dá)測(cè)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(qiáng)、易結(jié)疤等惡劣的測(cè)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(lái)越重要的作用。。

　　二、原理及技術(shù)性能

　　雷達(dá)波是一種特殊形式的電磁波，雷達(dá)料位計(jì)利用了電磁波的特殊性能來(lái)進(jìn)行料位檢測(cè)。電磁波的物理特性與可見(jiàn)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(cè)介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回波信號(hào)的反射效果越好。

　　雷達(dá)波的頻率越高，發(fā)射角越小，單位面積上能量(磁通量或場(chǎng)強(qiáng))越大，波的衰減越小，雷達(dá)料位計(jì)的測(cè)量效果越好。

　　1.雷達(dá)料位計(jì)的基本原理

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

　　發(fā)射-反射-接收是雷達(dá)式料位計(jì)工作的基本原理。雷達(dá)傳感器的天線以波束的形式發(fā)射最小5.8GHz的雷達(dá)信號(hào)。反射回來(lái)的信號(hào)仍由天線接收，雷達(dá)脈沖信號(hào)從發(fā)射到接收的運(yùn)行時(shí)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(dá)波速度;t為雷達(dá)波發(fā)射到接收的間隔時(shí)間;

　　2.雷達(dá)料位計(jì)測(cè)量料位的先進(jìn)技術(shù)：

　　(1)測(cè)量數(shù)據(jù)處理：

　　從雷達(dá)料位計(jì)的測(cè)量原理可以知道，雷達(dá)料位計(jì)是通過(guò)處理雷達(dá)波從探頭發(fā)射到介質(zhì)表面然后返回到探頭的時(shí)間來(lái)測(cè)量料位的，在反射信號(hào)中混合有許多干擾信號(hào)，所以，對(duì)真實(shí)回波的處理和對(duì)各種虛假回波的識(shí)別技術(shù)就成為雷達(dá)料位計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)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(dòng)和隨機(jī)噪聲等因素的影響，檢測(cè)信號(hào)中必然混有大量噪聲。為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，必須對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，盡可能消除噪聲。

　　經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用數(shù)據(jù)平滑方法可以達(dá)到滿意的效果。此方法也可有效的克服罐內(nèi)攪拌器對(duì)測(cè)量的影響。

　　(3)雷達(dá)料位計(jì)的特點(diǎn)：

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

　?、倏稍趷毫訔l件下連續(xù)準(zhǔn)確地測(cè)量。

　?、诓僮骱?jiǎn)單，調(diào)試方便。

　?、蹨?zhǔn)確安全且節(jié)省能源。

　?、軣o(wú)需維修且可靠性強(qiáng)。

　?、輲缀蹩梢詼y(cè)量所有介質(zhì)。

　　三、安裝應(yīng)注意的問(wèn)題

　　(1)當(dāng)測(cè)量液態(tài)物料時(shí)，傳感器的軸線和介質(zhì)表面保持垂直;當(dāng)測(cè)量固態(tài)物料時(shí)，由于固體介質(zhì)會(huì)有一個(gè)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?yàn)檎系K裝置越近，虛假反射信號(hào)越強(qiáng))。若實(shí)在避免不了，建議用一個(gè)折射板將過(guò)強(qiáng)的虛假反射信號(hào)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(hào)濾出。

　　(3)要避開(kāi)進(jìn)料口，以免產(chǎn)生虛假反射。

　　(4)要避免安裝在有很強(qiáng)渦流的地方。如：由于攪拌或很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)等，建議采用導(dǎo)波管或旁通管測(cè)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(huì)增強(qiáng))，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(lái)。喇叭口天線伸出接管至少10mm。棒式天線接管長(zhǎng)度最大100或250mm。接管直徑最小250mm。可以采取加大接管直徑的方法，以減少由于接管產(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(kāi)口的導(dǎo)波管必須達(dá)到需要的最低液位，這樣才能在管道中進(jìn)行測(cè)量。傳感器的類型牌要對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)波管開(kāi)孔的軸線。若被測(cè)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(gè)彎度，將容器底的反射回波折射走。

　　四、應(yīng)用中存在的問(wèn)題及解決方法

　　有些工況下所使用的雷達(dá)料位計(jì)，因?yàn)閭鞲衅靼惭b位置不當(dāng)及條件所致，出現(xiàn)了一些問(wèn)題，下面將對(duì)一些使用中的問(wèn)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(gè)辦法是將探頭安裝位置提高，但是有時(shí)候安裝條件限制，不能提高的情況下，就應(yīng)采用將料位測(cè)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(dá)到該最高值時(shí)，即可停進(jìn)料泵或開(kāi)啟出料泵。

　　2.雷達(dá)料位計(jì)被淹相應(yīng)的改進(jìn)辦法

　　解決這種問(wèn)題的辦法是將雷達(dá)料位計(jì)改為導(dǎo)波管式測(cè)量。仍在原開(kāi)孔處安裝導(dǎo)波管式雷達(dá)料位計(jì)，導(dǎo)波管高于排汽管0.2m左右，這樣一來(lái)，即使出現(xiàn)料漿從排汽管溢出的惡劣工況，也不會(huì)使料位計(jì)天線被料漿淹沒(méi)，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(duì)探頭的損害，同時(shí)由于導(dǎo)波管聚焦效果好，接收的雷達(dá)波信號(hào)更強(qiáng)，取得了很好的測(cè)量效果。使用導(dǎo)波管測(cè)量方式，可以改善表計(jì)測(cè)量條件，提高儀表測(cè)量性能,具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　3.關(guān)于泡沫對(duì)測(cè)量的影響：

　　干泡沫和濕泡沫能將雷達(dá)波反射回來(lái)，對(duì)測(cè)量無(wú)影響;中性泡沫則會(huì)吸收和擴(kuò)散雷達(dá)波，因而嚴(yán)重影響回波的反射甚至沒(méi)有回波。當(dāng)介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時(shí)，測(cè)量誤差較大或無(wú)法測(cè)量，在這種工況下，雷達(dá)料位計(jì)不具有優(yōu)勢(shì)，這是其應(yīng)用的局限性。

　　4.對(duì)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(duì)測(cè)量無(wú)影響，而介電常數(shù)很高的掛料則對(duì)測(cè)量有影響。可用壓縮空氣吹掃(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(jìn)行料位測(cè)量。

　　現(xiàn)以北京中航科儀測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的雷達(dá)料位計(jì)及其他型號(hào)料位計(jì)進(jìn)行說(shuō)明在各個(gè)行業(yè)使用的具體情況及效果

　　雷達(dá)料位計(jì)：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(duì)其進(jìn)行料位測(cè)量的場(chǎng)合很多，除生料、煤粉、水泥、混合材庫(kù)外，篦冷機(jī)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(dòng)化水平和控制系統(tǒng)可靠性要求的提高，料位測(cè)量控制的作用日益突出。按生產(chǎn)工藝要求，雷達(dá)料位計(jì)料位測(cè)量裝置有2類，一是極限料位檢測(cè)，即料位開(kāi)關(guān)，一般有上、下限2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。一旦料面達(dá)到預(yù)先設(shè)定的料位，即發(fā)出控制信號(hào)，使喂料或卸料設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。二是連續(xù)料位測(cè)量，有定時(shí)測(cè)定和需要時(shí)進(jìn)行測(cè)定2種工作方式，用于較精確掌握料面高度的場(chǎng)合。有時(shí)為較好滿足工藝要求，在一個(gè)料庫(kù)上既設(shè)置連續(xù)測(cè)量的料位計(jì)，又配置固定高度的料位開(kāi)關(guān)，即2種料位計(jì)各司其職，互相補(bǔ)充。

　　雷達(dá)料位計(jì)實(shí)際采用的料位計(jì)種類很多，必須針對(duì)不同工藝物料要求、不同料庫(kù)，選用不同的料位計(jì)。下面對(duì)水泥廠常用的料位計(jì)應(yīng)用進(jìn)行介紹。

　　1　電容式料位計(jì)

　　電容式料位計(jì)原理是插入料倉(cāng)中的電極與料倉(cāng)壁之間構(gòu)成電容器，當(dāng)倉(cāng)內(nèi)物料料位變化引起電容量的變化時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路得到相應(yīng)的控制信號(hào)。因?yàn)殡娙萘渴沁B續(xù)變化的，因此該料位計(jì)可以用作連續(xù)式料位測(cè)量，也可用作料位開(kāi)關(guān)，作為報(bào)警或喂料、卸料設(shè)備的輸入信號(hào)。該料位計(jì)有造價(jià)低、無(wú)機(jī)械磨損、安裝和維修方便等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的方式是通過(guò)調(diào)頻振蕩電路實(shí)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(hào)。若使用一段時(shí)間后電極(探頭)上粘有物料，則往往會(huì)導(dǎo)致控制器誤動(dòng)作，現(xiàn)已由傳統(tǒng)的檢測(cè)電容量發(fā)展為檢測(cè)探頭與倉(cāng)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(jì)成桿(棒)式或鋼纜(重型鋼纜)式，可使用于各種料倉(cāng)。現(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(wú)運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件，“數(shù)字標(biāo)定技術(shù)”使得用戶可以在空倉(cāng)的狀態(tài)下一次完成標(biāo)定，功能齊全、性能可靠、控制及時(shí)、顯示直觀。

　　安裝此類料位計(jì)時(shí)應(yīng)注意選取合適的安裝點(diǎn)，避開(kāi)下料口;注意信號(hào)線的屏蔽和接地，防止干擾。但倉(cāng)內(nèi)物料溫度、濕度、運(yùn)動(dòng)速度的變化以及物料粘掛倉(cāng)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(cè)，其測(cè)量精度不高，通常用作料位開(kāi)關(guān)。必須定期檢查探頭和料位開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況并進(jìn)行校驗(yàn)。

　　2　阻旋式料位計(jì)如阻旋料位開(kāi)關(guān)

　　阻旋式料位計(jì)是一種料位開(kāi)關(guān)。它也有不同的檢測(cè)控制方式，如某產(chǎn)品的基本原理是同步微電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后，帶動(dòng)檢測(cè)葉片以2.5～5r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)被測(cè)物料的料位上升使葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)受到阻礙時(shí)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)便圍繞主軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。此位移首先使一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，發(fā)出有料位信號(hào)。隨后另一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，切斷電動(dòng)機(jī)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(shí)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)便依靠彈簧拉力使其恢復(fù)原始狀態(tài)。一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)先動(dòng)作，接通電動(dòng)機(jī)電源使其旋轉(zhuǎn)，隨后另一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)出無(wú)料信號(hào)，只要沒(méi)有物料阻擋檢測(cè)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(kù)側(cè)安裝時(shí)應(yīng)在檢測(cè)葉片上方的料倉(cāng)內(nèi)壁上方安裝防護(hù)板;如采用加長(zhǎng)軸頂置垂直安裝時(shí)，則應(yīng)在軸套外安裝保護(hù)套筒。此種料位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便，多用作粉狀物料料倉(cāng)的料滿開(kāi)關(guān)，但不適合高溫下工作。

　　3　射頻導(dǎo)納料位計(jì)(γ射線料位計(jì))

　　γ射線料位計(jì)常用作料位開(kāi)關(guān)。工作原理是在料庫(kù)的一側(cè)設(shè)置同位素源，在另一側(cè)設(shè)置探測(cè)器，同位素源向探測(cè)器定向發(fā)射γ射線，若庫(kù)內(nèi)料面低于它，探測(cè)器檢測(cè)得出料空信號(hào);若庫(kù)內(nèi)料面高于它，則物料遮擋、吸收γ射線，探測(cè)器檢測(cè)得出料滿信號(hào)。依據(jù)料倉(cāng)的形狀和工藝要求，γ射線料位計(jì)可安裝在不同的位置。它是非接觸式測(cè)量，常用于工作環(huán)境惡劣的大型混凝土料庫(kù)，如水泥熟料庫(kù)。此時(shí)，要求所用的同位素源強(qiáng)，常用Co60源，源強(qiáng)達(dá)50～100mCi。γ射線料位計(jì)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(cè)器發(fā)出料滿信號(hào)啟動(dòng)下面的卸料電振機(jī)。此時(shí)γ射線料位計(jì)的同位素源常用源強(qiáng)較低的且半衰期很長(zhǎng)的Co137源。

　　它還可以用作窯尾預(yù)熱器防堵的料位報(bào)警或者選粉機(jī)下料管的鎖風(fēng)。因有時(shí)接收器靠近熱源，易導(dǎo)致信號(hào)失真和儀器壽命縮短，因此在高溫環(huán)境工作時(shí)應(yīng)重視冷卻問(wèn)題。它的特點(diǎn)是日常運(yùn)行維護(hù)工作量小，操作簡(jiǎn)單，但也存在γ射線料位計(jì)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(jì)又叫超聲波液位計(jì)

　　超聲波料位計(jì)裝置是利用聲納原理來(lái)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(guò)空氣傳到物料的界面并被反射，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到換能器接收所用的時(shí)間，再根據(jù)空氣中的聲速，就可計(jì)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(duì)超聲波信號(hào)的衰減影響很大;若料倉(cāng)中彌漫料塵時(shí)，超聲波會(huì)被料塵吸收，從而使信號(hào)有所衰減，且粉料粘附在換能器表面等原因都嚴(yán)重影響料位測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，超聲波料位測(cè)量裝置適合塊狀物料的連續(xù)料位監(jiān)測(cè)。

　　為解決該類儀器的不足，某些生產(chǎn)廠家，通過(guò)采用新材料、新技術(shù)，提高了換能器發(fā)射強(qiáng)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(jì)中，增加鑒別真?zhèn)涡盘?hào)的功能，使研制的超聲波料位計(jì)成功應(yīng)用于水泥倉(cāng)。筆者曾到北京某混凝土攪拌站現(xiàn)場(chǎng)考察過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)精確。

　　5　雷達(dá)料位計(jì)

　　雷達(dá)料位計(jì)工作原理和超聲波料位計(jì)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(cè)距原理來(lái)實(shí)現(xiàn)料位測(cè)量的。微波從天線出發(fā)，到達(dá)被測(cè)目標(biāo)經(jīng)反射再被天線接收，按微波來(lái)回傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算的距離反映了料位。一般有脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)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(guò)程中會(huì)有衰減，影響其準(zhǔn)確性和可靠性。某公司生產(chǎn)的纜式導(dǎo)波雷達(dá)可以解決傳統(tǒng)雷達(dá)料位計(jì)上述缺點(diǎn)。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(shí)將會(huì)反射回來(lái)，由接收器接收，信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換成料位信號(hào)。由于微波沿纜繩傳播，脈沖的強(qiáng)度和方向性均不受粉塵及料面松散程度的影響。同時(shí)可通過(guò)軟件設(shè)計(jì)對(duì)干擾進(jìn)行抑制。其傳播纜繩經(jīng)過(guò)耐磨性、下拉力試驗(yàn)，可以適應(yīng)水泥廠的工況，此種料位計(jì)測(cè)量精度高，已在水泥廠成功應(yīng)用。但產(chǎn)品價(jià)格高使應(yīng)用范圍受限制。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　雷達(dá)料位計(jì)是目前各類料位測(cè)量?jī)x表中適用范圍最廣、測(cè)量最精確、維護(hù)最方便的料位測(cè)量?jī)x表。隨著其價(jià)格的進(jìn)一步降低，性價(jià)比的提高，應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，在料位測(cè)量中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。本文對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，旨在為廣大維護(hù)人員更好地使用和掌握它，希望能對(duì)大家提供一些借鑒和幫助。