王大千

高頻雷達(dá)物位計(jì)在料位測量中的應(yīng)用

Application of High Frequency Radar Material Position Meter in Measurement

王大千

1 問題的提出

由于水泥廠固態(tài)物料具有高磨損性和大容量的特點(diǎn)，接觸式料位計(jì)，例如重錘，有許多諸如過度磨損和維修方面的缺陷，并且在使用過程中存在鋼纜斷裂和重錘掉落入物料的危險(xiǎn)。如果鋼纜及重錘掉入容器會損壞料倉的下料裝置，并且導(dǎo)致昂貴的維修成本和潛在的停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

水泥生產(chǎn)的填料周期會產(chǎn)生大量的粉塵，超聲波物位計(jì)測量信號會產(chǎn)生很大的能量損耗，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的信號衰減。水泥生產(chǎn)線有氣動料倉，也有料倉有底部吹氣系統(tǒng)來均勻物料，比如生料均化庫、水泥成品庫，這些料倉內(nèi)都有濃度極高的粉塵。另外，部分物料的高溫也限制了超聲傳感器的選擇，比如熟料倉里的熟料。

在水泥生產(chǎn)線，大多數(shù)物位測量傳感器都安裝在料倉頂部，而其中有些料倉高度甚至可能高達(dá)80m，且部分料倉底部還采用倒錐型結(jié)構(gòu)并增加底吹來均勻混合物料，產(chǎn)生濃度極高的粉塵，這使得采用普通的料位計(jì)測量相當(dāng)困難，特別是電梯無法使用的時(shí)候，人為上料倉監(jiān)測更為麻煩，給生產(chǎn)帶來極大的不穩(wěn)定性。

水泥行業(yè)的工況基本涵蓋了固態(tài)物料料位測量的所有挑戰(zhàn)，例如：濃度極高的粉塵、高溫、大量程、機(jī)械磨損嚴(yán)重、低介電常數(shù)等等。而現(xiàn)今非接觸式微波（雷達(dá)）物位計(jì)已成為水泥生產(chǎn)物位測量的首選，也成為了絕大多數(shù)固態(tài)物料料位測量的首選。

自2011年，我們嘗試使用了一種高頻的雷達(dá)料位計(jì)，在水泥庫、生料均化庫等以往測量效果不理想的地方安裝后，使用效果比較理想，基本克服了高濃度粉塵、物料界面不清晰、安裝位置靠近庫頂鋼梁等不良影響，測量值穩(wěn)定，沒有以前的死機(jī)、測量值跳躍等現(xiàn)象。而且，這種高頻雷達(dá)料位計(jì)體積很輕巧，安裝很方便。

2 高頻雷達(dá)料位計(jì)

SITRNAS LR560是一款全新的微波（雷達(dá)）物位計(jì)，首次采用了78GHz高頻微波技術(shù)，及透鏡式平面天線。天線直徑不到3″(接近2.5″)，波束角僅4°，可采用3″法蘭安裝，長達(dá)1m的安裝立管都不會影響測量（立管直徑需大于3″）。

SITRNAS LR560是一款專為固態(tài)物料設(shè)計(jì)的微波（雷達(dá)）物位計(jì)，由于其采用78GHz高頻微波，微波波長僅3.85mm，可以在很細(xì)的顆粒表面產(chǎn)生良好的信號反射，對傾斜的固態(tài)物料表面也能可靠測量，是固態(tài)物料料位測量的最佳解決方案。

SITRNAS LR560分標(biāo)準(zhǔn)型和增強(qiáng)型：標(biāo)準(zhǔn)型量程為40m；增強(qiáng)型達(dá)100m，過程溫度200℃，主要用于測量固態(tài)物料的料位。整個(gè)儀表重量約3.15kg，比同類產(chǎn)品輕很多，尺寸也小，攜帶、安裝都很簡單。只有4°的窄波束角，使安裝時(shí)容易避開倉內(nèi)障礙物，且對安裝條件幾乎無要求。SITRNAS LR560還配置了吹掃接口，可連接氣源對天線進(jìn)行吹掃，這個(gè)配置應(yīng)用于高介電常數(shù)物料易粘附的工況能達(dá)到較好的效果。

該產(chǎn)品安裝后幾乎不需要任何調(diào)整，參數(shù)設(shè)置快速、簡便，可用表頭按鍵或紅外手操器操作，支持中文操作界面，極大地方便了中國客戶的使用。圖形化界面可以很方便地在幾十秒內(nèi)完成設(shè)置，甚至不需要操作手冊。SITRANS LR560采用FMCW方式，24VDC 供電，二線制 4～20mA/Hart輸出，節(jié)約安裝、布線的時(shí)間和成本。

3 性能特點(diǎn)

目前世界上的微波（雷達(dá)）物位計(jì)有脈沖法（Pulse）和連續(xù)調(diào)頻法（FMCW）兩種。

脈沖波測距是由天線向被測物料面發(fā)射一個(gè)微波脈沖，當(dāng)接收到被測物料面上反射回來的回波后，測量兩者時(shí)間差(即微波脈沖的行程時(shí)間)，來計(jì)算到物料表面的距離。由于微波以光速傳播，因此脈沖技術(shù)其微波發(fā)射和返回之間的時(shí)差非常小，對于幾十米的距離時(shí)間差為納秒級。

連續(xù)調(diào)頻(FMCW)技術(shù)是用間接方法來測量距離。因?yàn)槲⒉òl(fā)射和返回時(shí)差太小，直接測量難以達(dá)到高精度，故轉(zhuǎn)換成頻率量的差值來測量，可以達(dá)到穩(wěn)定、可靠、高精度的測量效果。天線發(fā)射一個(gè)頻率被線性調(diào)制的微波連續(xù)信號，頻率線性上升，所接收到的回波信號頻率也是線性上升的，兩者的頻率差與離目標(biāo)的距離成一定比例（見圖1）。SI?TRANS LR560采用的就是FMCW技術(shù)，在固態(tài)物料測量中即使存在高粉塵工況，也能保證高穩(wěn)定性、高可靠性的物位測量目的。

目前微波物位計(jì)使用的微波頻率主要有三個(gè)頻段：C波段(5.8～6.3GHz)、X 波段(9～10.5GHz)、K 波段(24～26GHz)。SITRANS LR560 是 首款突破K波段（24～26GHz），采用高達(dá)78GHz技術(shù)的超高頻微波（雷達(dá)）物位計(jì)。

不同頻段因波長不一樣，導(dǎo)致天線尺寸、適用物料有所不同。物位測量中的微波一般是定向發(fā)射的，通常用波束角來定量表示微波發(fā)射和接收的方向性，對于常用的圓錐形喇叭天線來說，微波的頻率越高，波束的聚焦性能越好，即波束角越小，更有利于避開障礙物；并且，微波的頻率越高，其喇叭尺寸也可以做得越小，更易于開孔、安裝，這些在實(shí)際應(yīng)用中很重要。

例如：K 波段(24～26GHz)微波（雷達(dá)）物位計(jì)需采用4″喇叭天線達(dá)到 8°波束角，而 C波段(5.8～6.3GHz)微波（雷達(dá)）物位計(jì)需采用8″喇叭天線達(dá)到17°波束角，這種較寬的波束，如果安裝不得當(dāng)，將會受到料倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較多的虛假回波，而SITRANS LR560由于其78GHz超高頻技術(shù)（屬于E波段60～90GHz），用直徑不到3″的天線就可達(dá)到只有4°的窄波束角（見圖2）。X波段（9～10.5GHz）微波（雷達(dá)）物位計(jì)由于沒有明顯的應(yīng)用特點(diǎn)，近幾年各大物位廠商基本上已經(jīng)停止了這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

SITRANS LR560非常窄，只有4°的窄波束角，可有效避開料倉中的障礙物，且?guī)缀醪皇馨惭b立管的影響；最小3″的小尺寸天線，在哪里都可以安裝，且搬運(yùn)、開孔、安裝都很方便（較低頻率需要使用大尺寸天線）；超短的波長，只有3.85mm，可在傾斜的固態(tài)物料表面產(chǎn)生異常良好的信號反射，針對固態(tài)物料安息角所需的瞄準(zhǔn)器通常不再需要了。這些都受益于SITRANS LR560獨(dú)創(chuàng)的78GHz技術(shù)。

4 高頻雷達(dá)料位計(jì)的使用情況

我廠在過去十多年里在物位測量方面嘗試了多種技術(shù)，其中包括重錘、超聲、激光、電容及其他品牌的微波（雷達(dá)）物位計(jì)，但使用效果不佳，測量不穩(wěn)定，且之前的很多料位計(jì)的維修成本相當(dāng)高，遇到突發(fā)情況，也不能清洗更換，SITRNAS LR560以其安裝簡單、測量非常穩(wěn)定、可靠、免維護(hù)的性能獲得了良好的使用效果。

SITRANS LR560在我廠生料均化庫進(jìn)行試用，效果非常穩(wěn)定、可靠（見圖3）。

在整個(gè)水泥生產(chǎn)工藝中，生料均化庫的料位的監(jiān)測是最具挑戰(zhàn)性的，也是非常重要的。在水泥生產(chǎn)中不僅僅用均化庫的物位讀數(shù)來控制料倉的料位和均化的質(zhì)量，而且指定計(jì)劃生產(chǎn)數(shù)量和安排關(guān)機(jī)時(shí)間都需要均化庫的料位值。雖然這是一個(gè)關(guān)鍵過程，但得到可靠的連續(xù)測量在過去幾乎是不可能的。

因?yàn)榫瘞焓菍⒏鞣N原料混合到均化狀態(tài)，料倉要求同時(shí)且持續(xù)地填料和放空以混合物料，這就形成了不斷變化的物料表面；均化庫內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，倉底為倒錐型結(jié)構(gòu)，并有底吹來均勻物料，使得倉內(nèi)不斷裝滿各種氣體，產(chǎn)生濃度極高的粉塵和不清晰的界面。從生料庫頂部觀察，只有不超過5m的可見范圍；且生料均化庫一般都為大量程應(yīng)用，我廠的生料均化庫庫高38m。這些都使得可靠的物位測量變得更加困難。

圖4為SITRNAS LR560在我廠均化庫料位的中控室數(shù)據(jù)趨勢圖。SITRNAS LR560不受均化庫中極度粉塵的影響，測量非常穩(wěn)定、可靠，保證了料倉物位的準(zhǔn)確性，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。SITRNAS LR560可靠的物位監(jiān)測使得經(jīng)營者可實(shí)時(shí)、有效地控制生產(chǎn)過程。

我廠的熟料倉也進(jìn)行了SITRNAS LR560的試用，該熟料倉倉高28m高。熟料一般在裝入料倉時(shí)溫度還是很高的，而且粉塵很大。高溫、高粉塵對超聲波技術(shù)而言是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因此我廠現(xiàn)在用SITRNAS LR微波（雷達(dá)）料位計(jì)，來監(jiān)控熟料料倉的物位。裝料時(shí)溢出會涉及安全問題，而SI?TRNAS LR微波（雷達(dá)）料位計(jì)確保了此類事情不會發(fā)生，SITRNAS LR560在熟料倉使用效果良好，其回波曲線見圖5。

5 結(jié)語

憑借78GHz技術(shù)、小尺寸天線和窄波束角，SITRANS LR560已經(jīng)成為現(xiàn)今市面上最先進(jìn)、簡單、可靠的固態(tài)物料料位測量微波（雷達(dá)）物位計(jì)。在未來的幾年里，預(yù)計(jì)更高頻率的78GHz技術(shù)將取代25GHz技術(shù)，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)更小的天線和窄波束，可廣泛應(yīng)用于各種工況，是安裝和調(diào)試費(fèi)用更低、性能更好的解決方案。

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趙 蓮