雷達(dá)料位計(jì)在水泥廠的應(yīng)用和選型
一.概述
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(lèi)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(kāi)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。
九十年代末期,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3x108 m/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??;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(zhuān)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(lèi)庫(kù)和倉(cāng)近90%采用了各種類(lèi)型的雷達(dá)料位計(jì),天威公司的PLUS54現(xiàn)場(chǎng)總線型PA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)線的八個(gè)水泥庫(kù)中,和其他儀表組成了新型的FCS系統(tǒng)。
二. 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=Pτx C x GiGtGr/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。
三 雷達(dá)料位計(jì)的選型
1.脈沖型和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)
用于測(cè)物位的雷達(dá)料位計(jì)通常分為兩類(lèi):脈沖型雷達(dá)(Pulse)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)(FMCW)。在過(guò)程監(jiān)測(cè)場(chǎng)合主要選用脈沖型雷達(dá),由于其頻率較低(6.3GHz),并且在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了冷凝、積料等影響,還能利用超聲波料位計(jì)中的回波信號(hào)處理,在有攪拌器等復(fù)雜工況中也能識(shí)別有效回波,價(jià)格相對(duì)也較便宜,故在水泥行業(yè)中主要采用了以VEGA公司為代表的VEGAPULS型脈沖型雷達(dá)和E+H的Micropilot M FMR型,調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)由于發(fā)射功率大,量程大,價(jià)格也有較大下降,而且可靠性高,故最近在水泥行業(yè)已較多采用了以SIEMENS公司為代表的LR型調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。
2.顆粒狀物料的選型
在水泥廠原料大多是顆粒狀物料,少數(shù)是塊料,如石灰石、原煤、頁(yè)巖等,其半成品熟料也是顆粒狀物料,儲(chǔ)存在庫(kù)或倉(cāng)里,都存在物料的安息角,但也有反射介面。根據(jù)入料和卸料所形成的物料安息角和表面情況,在確定有效量程后,建議采用非接觸型的雷達(dá)料位計(jì),即帶有棒形或號(hào)角形天線的料位計(jì)。如用接觸型的雷達(dá)料位計(jì),會(huì)產(chǎn)生對(duì)纜繩較大的下拉力,造成事故。根據(jù)水泥廠信息反饋,號(hào)角形天線的料位計(jì)回波更強(qiáng),精確度更高(±0.2~±1% F.S),常用型號(hào)為PULS54或SITRANS LR400。
3.粉狀物料的選型
在水泥廠和粉磨站水泥庫(kù)一般有4~8個(gè),在水泥廠還有生料均化庫(kù)和粉煤灰?guī)欤@些物料全是粉料,非常難測(cè)其料位。在庫(kù)里的粉料表面非常疏松,微波反射相當(dāng)困難,為此建議采用接觸型雷達(dá)料位計(jì),也可選用大法蘭的帶有號(hào)角天線的非接觸型雷達(dá)料位計(jì),較典型的產(chǎn)品有VEGA-FLEX52K和E+H的FMP40纜式雷達(dá)料位計(jì),它實(shí)際上是把纜繩既當(dāng)天線又作導(dǎo)波管,合二為一,微波脈沖從探頭發(fā)出后沿纜繩傳播,當(dāng)脈沖遇到物料表面時(shí)會(huì)被反射回來(lái),其量程可達(dá)35m,被測(cè)物料的介電常數(shù)ε最低為1.6,另外纜繩的耐磨和忍受的最大下拉力,能滿足水泥廠各類(lèi)粉料庫(kù)的檢測(cè)要求。目前已有許多水泥廠用纜式雷達(dá)料位計(jì)測(cè)量水泥庫(kù)和粉煤灰?guī)斓牧衔唬〉幂^好的效果,如海螺荻港、浙江三獅、陜西耀縣、甘肅祁連山等水泥廠。由于均化庫(kù)的工況復(fù)雜,建議采用VEGA-PULS68或西門(mén)子的產(chǎn)品,型號(hào)為SITRANS LR400,24GHz,量程最大為45m,四線制。
4.二線制
目前使用的雷達(dá)料位計(jì)大多是一體化的產(chǎn)品,由二線制供電,可直接接控制系統(tǒng)的模塊,輸出4~20mA的模擬信號(hào),可節(jié)省大量電纜;同時(shí)還提供HART數(shù)字信號(hào)和各種協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字通信功能,和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接非常方便,既可在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試;也可用PC 機(jī)在控制室調(diào)試,如組成FCS系統(tǒng)還可在操作員站調(diào)試。
四. 結(jié)論
水泥廠的物位測(cè)量是水泥生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)一個(gè)重要組成部分,雷達(dá)料位計(jì)的應(yīng)用解除了人們對(duì)水泥廠的物位測(cè)量的疑慮,現(xiàn)有雷達(dá)料位計(jì)在品種、精確度、標(biāo)準(zhǔn)材料、耐壓、耐高溫、防爆等方面都能滿足水泥廠檢測(cè)和控制的要求。
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