雷達(dá)物位計(jì)在高爐上的應(yīng)用

一、序言

高爐上的物位量是鋼鐵行業(yè)中一個(gè)非常重要的測(cè)量數(shù)據(jù)，它對(duì)于鋼鐵生產(chǎn)的質(zhì)量控制、提高生產(chǎn)效率和提高生產(chǎn)安全性起著非常重要的作用。高爐上的的物位測(cè)量點(diǎn)包括兩種介質(zhì)的測(cè)量：爐頂?shù)V料的物位測(cè)量和魚(yú)雷罐車的鐵水的液位測(cè)量。

但是，由于這些工況的過(guò)程溫度都非常的高（一般都超過(guò)300℃），高爐上的物位測(cè)量一直是個(gè)難題。長(zhǎng)期以來(lái)，各大鋼鐵制造廠商一直致力于尋找一種使用壽命長(zhǎng)、性能可靠、維護(hù)量低、測(cè)量精確度高的經(jīng)濟(jì)性的解決方案。

2002年，Siemens推出了Sitrans LR400型雷達(dá)物位計(jì)，之后這款在固體測(cè)量領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能的雷達(dá)物位計(jì)不斷贏得客戶的青睞，市場(chǎng)份額迅速增長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)近幾年的不斷鉆研，Siemens公司率先將LR400應(yīng)用在高爐的物位測(cè)量領(lǐng)域，積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并贏得了客戶的信任。

二、測(cè)量原理和產(chǎn)品介紹

Sitrans LR400型雷達(dá)物位計(jì)是第一款專門(mén)針對(duì)粉狀固體的測(cè)量特點(diǎn)而研發(fā)的非接觸式雷達(dá)物位計(jì)。因此這款產(chǎn)品一經(jīng)推出后，其優(yōu)異的固體測(cè)量性能為其贏得了大量的訂單，尤其是在水泥、面粉等存在大量粉塵影響的工業(yè)中，表現(xiàn)出色，已經(jīng)成為很多客戶的首選產(chǎn)品。

2005年2月，Siemens公司為了進(jìn)一步擴(kuò)大LR400雷達(dá)物位計(jì)在固體物位測(cè)量市場(chǎng)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，推出了專用用于固體測(cè)量的雷達(dá)物位計(jì)固體型LR400。

LR400之所以能夠在固體測(cè)量領(lǐng)域取的如此優(yōu)異的業(yè)績(jī)，這是因?yàn)椋?

1、 它使用24GHz高頻微波作為測(cè)量信號(hào)。根據(jù)波的特性：速度=波長(zhǎng)*頻率，我們可以得知24GHz高頻的微波的波長(zhǎng)較其他頻段的雷達(dá)波的波長(zhǎng)要短的多。一般的講，固體料面的形狀是傾斜而且粗糙的，較小的波長(zhǎng)可以最大程度上保證發(fā)射出去的雷達(dá)波能夠在粗糙的固體表面最大程度地被反射回雷達(dá)探頭。

2、 采用FMCW（連續(xù)調(diào)頻）的工作原理（見(jiàn)圖）。FMCW的基本測(cè)量原理是：探頭同時(shí)進(jìn)行雷達(dá)波的發(fā)射和接受，類似通訊中的"全雙工"；LR400采用了鋸齒型的微波，發(fā)射波和經(jīng)固體表面發(fā)射后形成的回波之間產(chǎn)生一個(gè)相位差，這個(gè)相位差通過(guò)一個(gè)快速傅立頁(yè)的轉(zhuǎn)換后，形成一個(gè)頻譜，而這個(gè)頻譜與雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量的距離呈一個(gè)線性的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)鋸齒波的相位的檢測(cè)即可得到一個(gè)高精度的物位信號(hào)。由于采用了FMCW的測(cè)量原理，使雷達(dá)波能夠源源不斷的"射"向測(cè)量介質(zhì)，使其抗干擾能力加強(qiáng)，"失波"的可能性降到最低，從而提高了它的可靠性。

3、 它采用了四線制的設(shè)計(jì)。四線制的設(shè)計(jì)保證了儀表有足夠的功率來(lái)發(fā)射足夠強(qiáng)的能量來(lái)滿足惡劣的測(cè)量條件：LR400能夠測(cè)量介電常數(shù)低至1.5的介質(zhì)（自然界絕大部分的介質(zhì)的介電常數(shù)大于1.5）；量程最大可至50米。

4、 由于使用高頻的信號(hào)，使其發(fā)射的角度可以做到最小8度角，使LR400能夠最大程度上避開(kāi)固定干擾的影響。

另外，最新推出的固體型LR400雷達(dá)在以前的基礎(chǔ)上，作了很多大的改進(jìn)，使其能夠更好的滿足固體測(cè)量的需求。

1、 新了瞄準(zhǔn)器的設(shè)計(jì)，并將瞄準(zhǔn)器作為新的固體型雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)配置，而不加任何費(fèi)用。瞄準(zhǔn)器可以保證LR400即使用于介質(zhì)表面傾斜角度較大的工況，介電常數(shù)較低的化學(xué)品粉末也能得到較強(qiáng)的信號(hào)。

2、 提供了2"、3"、4"三種不同尺寸的喇叭天線的選擇，能夠更好地滿足不同的現(xiàn)場(chǎng)的要求。

3、 改進(jìn)了LR400的固體算法，使它能夠?qū)ｉT(mén)適用于各種復(fù)雜的固體測(cè)量工況。

4、 由于采用了新的算法，使其導(dǎo)波性能得到很大的提高，因此增加了延長(zhǎng)管（最長(zhǎng)至592mm的天線設(shè)計(jì)）的選項(xiàng)，使其能夠滿足一些安裝立管較長(zhǎng)、倉(cāng)頂過(guò)厚的安裝條件的工況。

5、 另外，設(shè)計(jì)了新的PTFE的平面防塵窗口，使它即使是在粉塵揚(yáng)氣非常大的工況中也能非常的穩(wěn)定的工作。

三、方案介紹

如圖，在高爐的工況中，通常主要有三個(gè)測(cè)量要求物位測(cè)量：

高爐料面測(cè)量；
高爐布料倉(cāng)料位測(cè)量；
魚(yú)雷罐鐵水液面測(cè)量。

1、高爐料面測(cè)量。需要使用物位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)備添加到高爐內(nèi)的礦料，料位的控制需要保證料位維持在一定的高度，高爐料倉(cāng)的高度不可為空，否則無(wú)法保證布料倉(cāng)的礦料得到及時(shí)供應(yīng)；也不可使料倉(cāng)料位過(guò)滿，導(dǎo)致溢出。一般這一測(cè)量點(diǎn)需要的測(cè)量范圍最大約在5~6米左右。

2、高爐布料倉(cāng)的礦渣的料位測(cè)量的主要的困難之處在于：倉(cāng)頂頂部的溫度非常高，一般超過(guò)600℃；倉(cāng)頂?shù)捻敳亢穸容^大，一般約在1米~1.5米左右。

如左圖的物位計(jì)安裝位置的出口溫度一般超過(guò)600℃。如果不加任何處理將LR400用于這一工況測(cè)量，由于LR400的標(biāo)準(zhǔn)型的測(cè)量過(guò)程溫度為200℃，高溫型的過(guò)程溫度為250℃，但是也不能滿足這個(gè)測(cè)量點(diǎn)的要求。如右圖，在試用了LR400后發(fā)現(xiàn)，該表的發(fā)射電極遭到損壞。

最后，經(jīng)過(guò)反復(fù)的研究以后發(fā)現(xiàn)，高溫主要有倉(cāng)內(nèi)的高溫介質(zhì)的輻射熱造成；因此利用LR400的導(dǎo)波特性，決定設(shè)計(jì)制作導(dǎo)波彎管來(lái)避開(kāi)倉(cāng)頂安裝出口處的高溫氣體；另外，為了降低傳導(dǎo)熱的影響，整個(gè)導(dǎo)波管的長(zhǎng)度超過(guò)2米，使管內(nèi)高溫氣體能夠得到足夠的降溫管段。安裝了如圖的導(dǎo)波彎管后，發(fā)現(xiàn)安裝法蘭口的溫度小于100℃。

安裝了LR400后，經(jīng)過(guò)2~3星期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后，物位測(cè)量結(jié)果基本準(zhǔn)確。

另外，值得一提的是，現(xiàn)場(chǎng)的工況比較惡劣，常用礦石掉落在現(xiàn)場(chǎng)，由于LR400的標(biāo)準(zhǔn)配置是堅(jiān)實(shí)的鋁外殼設(shè)計(jì)，因此即使如此惡劣的現(xiàn)場(chǎng)工況，LR400也不會(huì)存在任何問(wèn)題。

3、對(duì)魚(yú)雷罐鐵水的測(cè)量。鐵水的溫度高達(dá)1000℃以上。但是由于測(cè)量的介質(zhì)是液體，因此主要需要解決的問(wèn)題是如何解決高溫的問(wèn)題。

在這一測(cè)量點(diǎn)上，我們應(yīng)用Siemens雷達(dá)物位計(jì)嘗試了三種不同的方法來(lái)解決高溫的問(wèn)題，均取得良好的效果。

A、在加長(zhǎng)的安裝立管上安裝壓縮空氣通道，注入壓縮空氣以降低雷達(dá)液位計(jì)的喇叭天線口的過(guò)程溫度。

B、采用導(dǎo)波彎管的設(shè)計(jì)，避開(kāi)由于輻射引起的超高溫。

C、由于LR400的具有目前世界上最小的發(fā)射角度（8°），因此，可以如上圖的安裝方式，使LR400的喇叭天線與安裝口保持一定的距離，以降低過(guò)程中的超高溫。

四、結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)，因?yàn)楦郀t的料位測(cè)量比較特殊，所以一直沒(méi)有一個(gè)理想的解決方案。曾經(jīng)采用過(guò)的測(cè)量方案有：α射線物位計(jì)、激光物位計(jì)、投標(biāo)尺等測(cè)量方式。

通過(guò)下表的比較，可以看出，雷達(dá)物位計(jì)在高爐上的應(yīng)用的可以充分固體型雷達(dá)的特點(diǎn)，性價(jià)比是非常高的，而且通過(guò)多年的研究和試驗(yàn)，LR400在這一領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)處于領(lǐng)先的地位，為高爐的物位測(cè)量應(yīng)用提供了一個(gè)客戶可以接受的較為理想的解決方案。

	LR400雷達(dá)物位計(jì)	α射線物位計(jì)	激光物位計(jì)	投標(biāo)尺
測(cè)量方式	非接觸式，連續(xù)	非接觸式， 連續(xù)	非接觸式，連續(xù)	接觸式， 非連續(xù)
精確度	高	差	高	一般， 存在人為誤差
降溫的方式	加壓縮空氣、 隔離、導(dǎo)波彎管	罐外安裝， 無(wú)需降溫	裝隔熱玻璃窗	無(wú)
高溫的影響	無(wú)	無(wú)	無(wú)	無(wú)
對(duì)人的危害性	無(wú)	極大	無(wú)	無(wú)
安裝要求	簡(jiǎn)單	難度大	對(duì)安裝要求高	簡(jiǎn)單
通訊信號(hào)	4~20mA，Profibus可選	4~20mA	4~20mA	無(wú)
維護(hù)量	基本免維護(hù)	低	高	高
最大量程	50m， 量程可調(diào)	量程可通過(guò)加裝測(cè)量桿實(shí)現(xiàn)，但費(fèi)用高	大	不超過(guò)30米
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)能力	鋁外殼， 堅(jiān)實(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)	一般	精密儀表， 適用性差	適應(yīng)性強(qiáng)，堅(jiān)實(shí)
使用壽命	長(zhǎng)，一般按10年計(jì)	長(zhǎng)，α射線源有衰減	短，一般約2~3年	一般
價(jià)格	一般	貴	極貴	較低