雷達(dá)料位計(jì)在水泥廠中的應(yīng)用

物位是水泥工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的主要測(cè)量參數(shù)之一，和其他行業(yè)不同，在水泥工業(yè)中主要是固體物料的物位測(cè)量，液位測(cè)量則很少。固體物料種類繁多，有塊料、顆粒狀、粉料，這些物料的介電常數(shù)、容重、溫度、水分含量也各不相同。接觸式測(cè)量是過(guò)去測(cè)量物位的主要手段，如電容式、重錘式、音叉式、阻旋式等測(cè)量方法，由于測(cè)量時(shí)儀表和物料是接觸的，在使用過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，如電容的掛料;重錘的斷錘、埋錘;音叉的堵料等，且日常的維護(hù)量很大。到20世紀(jì)90年代，水泥工業(yè)開始采用非接觸的物位測(cè)量，較早成熟的非接觸的測(cè)量技術(shù)有超聲波技術(shù)和核輻射技術(shù)(γ射線)，核輻射技術(shù)因有放射源，在應(yīng)用上受到限制。

超聲波技術(shù)近幾年來(lái)發(fā)展很快，是目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測(cè)量方法，特別在液位測(cè)量。在水泥廠超聲波物位測(cè)量已較普遍應(yīng)用在原料調(diào)配庫(kù)、原煤庫(kù)、熟料庫(kù)等，但超聲波必須借助于媒質(zhì)傳播，如在水泥廠的儲(chǔ)庫(kù)物位測(cè)量通常以空氣作為傳播介質(zhì)，而空氣的溫度、濕度、組分等的變化會(huì)影響超聲波傳播速度，空氣中的粉塵也將衰減超聲波的傳播信號(hào);當(dāng)前超聲波物位測(cè)量?jī)H用于測(cè)量塊料或顆粒狀的物料，對(duì)粉倉(cāng)料位的測(cè)量，由于粉倉(cāng)料位表面在下料時(shí)非常疏松，對(duì)超聲波信號(hào)有較強(qiáng)的衰減，故至今還沒(méi)有測(cè)粉倉(cāng)料位成功的先例。

90年代末期，在過(guò)程檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了高性能、低價(jià)格的微波物位計(jì)即雷達(dá)料位計(jì)，所謂微波是電磁波，其頻率范圍為300MHz～300GHz,微波的傳播速度為3×108m/s,如設(shè)頻率為5.8GHz,在大氣中波長(zhǎng)約為52mm，其穿透力強(qiáng)，傳播速度不受粉塵、蒸汽及介質(zhì)組分的影響，傳播衰減也很小;對(duì)被測(cè)固體物料除要求其介電常數(shù)ε>1.8外，物料的溫度、壓力、密度等幾乎不影響對(duì)其準(zhǔn)確的測(cè)量;現(xiàn)有雷達(dá)料位計(jì)在天線設(shè)計(jì)和形狀確保了接受回波的能量;另外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也十分簡(jiǎn)單，通過(guò)專用的軟件，能把正確的回波迅速找到，并立即換算為物位值。由于比超聲料位計(jì)有其更卓越的性能，近幾年來(lái)，雷達(dá)料位計(jì)迅速、大量進(jìn)入了過(guò)程檢測(cè)儀表的市場(chǎng)，在各行業(yè)普遍使用。在水泥行業(yè)也幾乎由雷達(dá)料位計(jì)統(tǒng)占物位測(cè)量的領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計(jì)近幾年來(lái)新設(shè)計(jì)的大型水泥廠和粉磨站的各類庫(kù)和倉(cāng)近90%采用了各種類型的雷達(dá)料位計(jì)，，還成功用在云南紅塔滇西水泥公司的3條水泥生產(chǎn)線的8個(gè)水泥庫(kù)中，和其他儀表組成了新型的FCS系統(tǒng)。

2　雷達(dá)料位測(cè)量原理和主要技術(shù)因素

雷達(dá)料位計(jì)是利用回波測(cè)距原理。發(fā)射天線向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射微波，被測(cè)目標(biāo)的微波被接收天線接收，信號(hào)處理器將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)比較，計(jì)算出被測(cè)距離，并可算出相應(yīng)的物位值。

微波脈沖來(lái)回傳播時(shí)間t由下式?jīng)Q定：

t=　　(1)

式中：a—天線到被測(cè)目標(biāo)的距離;

c—微波傳播的速度(光速)。

由于微波在傳播途徑上有衰減和干擾反射，故測(cè)量的關(guān)鍵是要能接收到反射回波，并識(shí)別出有效回波。接收的回波能量Pk可用簡(jiǎn)化的雷達(dá)方程表示如下：

Pk=PτxCxGiGtGr/r4　　(2)

式中：Pτ—天線輻射功率;

C—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)決定;

Gi—由目標(biāo)表面介電特性及面積決定的反射增益;

Gt，Gr—天線發(fā)射和接收效率;

r—天線與目標(biāo)間的距離。

從式(2)知：接收的回波能量大小與天線的發(fā)射和接收效率以及天線輻射功率有關(guān)，故雷達(dá)料位計(jì)的天線設(shè)計(jì)和形狀很關(guān)鍵，現(xiàn)有的天線除號(hào)角天線(喇叭口)和棒狀天線外，還有平面天線和拋物面天線，為用于介電常數(shù)較小的物料，將纜繩作為天線或安裝導(dǎo)波管，纜繩和導(dǎo)波管一直延伸到庫(kù)或倉(cāng)底，由此來(lái)傳遞發(fā)送和接收的電磁波，增強(qiáng)了回波的信號(hào)。

從式(2)還知：接收的回波能量大小與物料表面的介電特性有關(guān)，介電常數(shù)ε高，反射率高，得到的回波強(qiáng)度也高;介電常數(shù)ε低，物料會(huì)吸收部分微波的能量，回波強(qiáng)度也較低。通常要求被測(cè)物料的介電常數(shù)ε：液體為ε>1.8,固體ε>2.5，水泥廠固體ε>2.5，水泥的介電常數(shù)ε為3。

在水泥工廠，各種固體物料儲(chǔ)存在庫(kù)或倉(cāng)里，都存在物料的安息角，回波反射也會(huì)象超聲波一樣存在漫反射，產(chǎn)生干擾回波和假回波，通過(guò)軟件可排除干擾回波和假回波，但有效回波強(qiáng)度會(huì)減少很多，故設(shè)計(jì)選型時(shí)，要考慮衰減，選量程要留有一定的余量。