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  • 雷達微波物位計的原理及選型應用_淮安潤中儀表科技有限公司

    雷達微波物位計的原理及選型應用

    雷達物位計的原理及選型應用



    雷達物位計的原理及選型應用

    一、概述

    雷達料位計是工業生產中的一個重要參數。料位測量的方法很多,針對不同的工況和介質可以使用不同測量原理的料位計,吹氣法、靜壓式、浮球式、重錘式、超聲波等幾種常用的料位測量儀表,都有各自的特點和應用范圍。雷達料位計運用先進的雷達測量技術,以其優良的性能,尤其是在槽罐中有攪拌、溫度高、蒸汽大、介質腐蝕性強、易結疤等惡劣的測量條件下,顯示出其卓越的性能,在工業生產中發揮著越來越重要的作用。。

    二、原理及技術性能

    雷達波是一種特殊形式的電磁波,雷達料位計利用了電磁波的特殊性能來進行料位檢測。電磁波的物理特性與可見光相似,傳播速度相當于光速。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,被測介質導電性越好或介電常數越大,回波信號的反射效果越好。

    雷達波的頻率越高,發射角越小,單位面積上能量(磁通量或場強)越大,波的衰減越小,雷達料位計的測量效果越好。

    1.雷達料位計的基本原理

    雷達式料位計組成:它主要由發射和接收裝置、信號處理器、天線、操作面板、顯示、故障報警等幾部分組成。

    發射-反射-接收是雷達式料位計工作的基本原理。雷達傳感器的天線以波束的形式發射最小5.8GHz的雷達信號。反射回來的信號仍由天線接收,雷達脈沖信號從發射到接收的運行時間與傳感器到介質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為雷達波速度;t為雷達波發射到接收的間隔時間;

    2.雷達料位計測量料位的先進技術:

    (1)測量數據處理:

    從雷達料位計的測量原理可以知道,雷達料位計是通過處理雷達波從探頭發射到介質表面然后返回到探頭的時間來測量料位的,在反射信號中混合有許多干擾信號,所以,對真實回波的處理和對各種虛假回波的識別技術就成為雷達料位計能夠準確測量的關鍵因素。

    (2)回波處理新技術的應用

    由于液面波動和隨機噪聲等因素的影響,檢測信號中必然混有大量噪聲。為了提高檢測的準確度,必須對檢測信號進行處理,盡可能消除噪聲。

    經過大量的實驗驗證,采用數據平滑方法可以達到滿意的效果。此方法也可有效的克服罐內攪拌器對測量的影響。

    (3)雷達料位計的特點:

    由于雷達料位計采用了上述先進的回波處理和數據處理技術,加上雷達波本身頻率高,穿透性能好的優點,所以,雷達料位計具有比接觸式料位計和同類非接觸料位計更加優良的性能。

    ①可在惡劣條件下連續準確地測量。

    ②操作簡單,調試方便。

    ③準確安全且節省能源。

    ④無需維修且可靠性強。

    ⑤幾乎可以測量所有介質。

    三、安裝應注意的問題

    (1)當測量液態物料時,傳感器的軸線和介質表面保持垂直;當測量固態物料時,由于固體介質會有一個堆角,傳感器要傾斜一定的角度。

    (2)盡量避免在發射角內有造成假反射的裝置。特別要避免在距離天線最近的1/3錐形發射區內有障礙裝置(因為障礙裝置越近,虛假反射信號越強)。若實在避免不了,建議用一個折射板將過強的虛假反射信號折射走。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濾出。

    (3)要避開進料口,以免產生虛假反射。

    (4)要避免安裝在有很強渦流的地方。如:由于攪拌或很強的化學反應等,建議采用導波管或旁通管測量。

    (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增強),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。喇叭口天線伸出接管至少10mm。棒式天線接管長度最大100或250mm。接管直徑最小250mm??梢圆扇〖哟蠼庸苤睆降姆椒?,以減少由于接管產生的干擾回波。

    7)關于導波管天線:導波管內壁一定要光滑,下面開口的導波管必須達到需要的最低液位,這樣才能在管道中進行測量。傳感器的類型牌要對準導波管開孔的軸線。若被測介電常數小于4,需在導波管末端安裝反射板,或將導波管末端彎成一個彎度,將容器底的反射回波折射走。

    四、應用中存在的問題及解決方法

    有些工況下所使用的雷達料位計,因為傳感器安裝位置不當及條件所致,出現了一些問題,下面將對一些使用中的問題提出解決方案,供大家參考。

    1.探頭結疤和頻繁故障的解決方法

    第一個辦法是將探頭安裝位置提高,但是有時候安裝條件限制,不能提高的情況下,就應采用將料位測量值與該槽的泵聯鎖的辦法,解決這一難題:將最高料位設定值減小0.5m左右,當料位達到該最高值時,即可停進料泵或開啟出料泵。

    2.雷達料位計被淹相應的改進辦法

    解決這種問題的辦法是將雷達料位計改為導波管式測量。仍在原開孔處安裝導波管式雷達料位計,導波管高于排汽管0.2m左右,這樣一來,即使出現料漿從排汽管溢出的惡劣工況,也不會使料位計天線被料漿淹沒,而且避免了攪拌器渦流的干擾及大量蒸汽從探頭處冒出,減少了對探頭的損害,同時由于導波管聚焦效果好,接收的雷達波信號更強,取得了很好的測量效果。使用導波管測量方式,可以改善表計測量條件,提高儀表測量性能,具有很高的推廣應用價值。

    3.關于泡沫對測量的影響:

    干泡沫和濕泡沫能將雷達波反射回來,對測量無影響;中性泡沫則會吸收和擴散雷達波,因而嚴重影響回波的反射甚至沒有回波。當介質表面為稠而厚的泡沫時,測量誤差較大或無法測量,在這種工況下,雷達料位計不具有優勢,這是其應用的局限性。

    4.對于天線結疤的處理:

    介電常數很小的掛料在干燥狀態下對測量無影響,而介電常數很高的掛料則對測量有影響??捎脡嚎s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疤,但在清洗期間不能進行料位測量。

    現以我公司生產的雷達料位計及其他型號料位計進行說明在各個行業使用的具體情況及效果

    雷達料位計:水泥廠使用的情況

    水泥生產中的原料、半成品、成品均為粒塊狀或粉狀固體物料,對其進行料位測量的場合很多,除生料、煤粉、水泥、混合材庫外,篦冷機下料、立窯的卸料等工藝環節都有使用。隨著水泥生產自動化水平和控制系統可靠性要求的提高,料位測量控制的作用日益突出。按生產工藝要求,雷達料位計料位測量裝置有2類,一是極限料位檢測,即料位開關,一般有上、下限2個檢測點。一旦料面達到預先設定的料位,即發出控制信號,使喂料或卸料設備進行相應的動作。二是連續料位測量,有定時測定和需要時進行測定2種工作方式,用于較精確掌握料面高度的場合。有時為較好滿足工藝要求,在一個料庫上既設置連續測量的料位計,又配置固定高度的料位開關,即2種料位計各司其職,互相補充。

    雷達料位計實際采用的料位計種類很多,必須針對不同工藝物料要求、不同料庫,選用不同的料位計。下面對水泥廠常用的料位計應用進行介紹。

    1 電容式料位計

    電容式料位計原理是插入料倉中的電極與料倉壁之間構成電容器,當倉內物料料位變化引起電容量的變化時,通過轉換電路得到相應的控制信號。因為電容量是連續變化的,因此該料位計可以用作連續式料位測量,也可用作料位開關,作為報警或喂料、卸料設備的輸入信號。該料位計有造價低、無機械磨損、安裝和維修方便等特點。傳統的方式是通過調頻振蕩電路實現電容量到頻率的轉換,又經限幅放大及鑒頻器的線性化,得到相應的電壓或電流信號。若使用一段時間后電極(探頭)上粘有物料,則往往會導致控制器誤動作,現已由傳統的檢測電容量發展為檢測探頭與倉壁間導納的方式。

    依據量程的大小和控制方式的不同,電極設計成桿(棒)式或鋼纜(重型鋼纜)式,可使用于各種料倉?,F在的新型產品為全密封一體化安裝結構,采用射頻振蕩器和數字集成電路,無運動機械部件,“數字標定技術”使得用戶可以在空倉的狀態下一次完成標定,功能齊全、性能可靠、控制及時、顯示直觀。

    安裝此類料位計時應注意選取合適的安裝點,避開下料口;注意信號線的屏蔽和接地,防止干擾。但倉內物料溫度、濕度、運動速度的變化以及物料粘掛倉壁和電極等因素的影響,引起電容介電常數的變化。因此,若用作連續料位檢測,其測量精度不高,通常用作料位開關。必須定期檢查探頭和料位開關動作情況并進行校驗。

    2 阻旋式料位計如阻旋料位開關

    阻旋式料位計是一種料位開關。它也有不同的檢測控制方式,如某產品的基本原理是同步微電動機經減速后,帶動檢測葉片以2.5~5r/min的轉速旋轉,當被測物料的料位上升使葉片的轉動受到阻礙時,檢測機構便圍繞主軸產生旋轉位移。此位移首先使一個微動開關動作,發出有料位信號。隨后另一個微動開關動作,切斷電動機電源使其停轉。只要此料位不變這種狀態便一直保持下去。當料位下降至葉片失去阻擋時,檢測機構便依靠彈簧拉力使其恢復原始狀態。一個微動開關先動作,接通電動機電源使其旋轉,隨后另一個微動開關動作發出無料信號,只要沒有物料阻擋檢測葉片的轉動,此種狀態也將一直保持下去。為防止使用中物料的沖擊,庫側安裝時應在檢測葉片上方的料倉內壁上方安裝防護板;如采用加長軸頂置垂直安裝時,則應在軸套外安裝保護套筒。此種料位開關結構簡單、價格低廉、維護方便,多用作粉狀物料料倉的料滿開關,但不適合高溫下工作。

    3 射頻導納料位計(γ射線料位計)

    γ射線料位計常用作料位開關。工作原理是在料庫的一側設置同位素源,在另一側設置探測器,同位素源向探測器定向發射γ射線,若庫內料面低于它,探測器檢測得出料空信號;若庫內料面高于它,則物料遮擋、吸收γ射線,探測器檢測得出料滿信號。依據料倉的形狀和工藝要求,γ射線料位計可安裝在不同的位置。它是非接觸式測量,常用于工作環境惡劣的大型混凝土料庫,如水泥熟料庫。此時,要求所用的同位素源強,常用Co60源,源強達50~100mCi。γ射線料位計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,探測器發出料滿信號啟動下面的卸料電振機。此時γ射線料位計的同位素源常用源強較低的且半衰期很長的Co137源。

    它還可以用作窯尾預熱器防堵的料位報警或者選粉機下料管的鎖風。因有時接收器靠近熱源,易導致信號失真和儀器壽命縮短,因此在高溫環境工作時應重視冷卻問題。它的特點是日常運行維護工作量小,操作簡單,但也存在γ射線料位計放射源污染環境,放射源的衰減使料位控制不可靠等不足。

    4 超聲波料位計又叫超聲波液位計

    超聲波料位計裝置是利用聲納原理來確定容器內物料料位的,是一種在線聲納定位設備。超聲波換能器發出的超聲波脈沖,通過空氣傳到物料的界面并被反射,測出超聲波脈沖從發射到換能器接收所用的時間,再根據空氣中的聲速,就可計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,對超聲波信號的衰減影響很大;若料倉中彌漫料塵時,超聲波會被料塵吸收,從而使信號有所衰減,且粉料粘附在換能器表面等原因都嚴重影響料位測量的準確性。因此,超聲波料位測量裝置適合塊狀物料的連續料位監測。

    為解決該類儀器的不足,某些生產廠家,通過采用新材料、新技術,提高了換能器發射強度,避免了換能器的掛料、堵塞現象,并能應用于高溫環境。在控制電路設計中,增加鑒別真偽信號的功能,使研制的超聲波料位計成功應用于水泥倉。筆者曾到北京某混凝土攪拌站現場考察過某大學聲學研究所的儀器,發現它安裝和使用方便,測量數據精確。

    5 雷達料位計

    雷達料位計工作原理和超聲波料位計類似,它發射的微波是一種電磁波,其傳播速度不受介質的特性影響。它是利用電磁波回波測距原理來實現料位測量的。微波從天線出發,到達被測目標經反射再被天線接收,按微波來回傳播時間來計算的距離反映了料位。一般有脈沖雷達和調頻連續波雷達2種。由于受粉塵、料面坡度及物料松散程度的影響,微波在傳輸過程中會有衰減,影響其準確性和可靠性。某公司生產的纜式導波雷達可以解決傳統雷達料位計上述缺點。它的原理是高頻脈沖從探頭發出后沿纜繩傳播,當脈沖遇到料位表面時將會反射回來,由接收器接收,信號經轉換成料位信號。由于微波沿纜繩傳播,脈沖的強度和方向性均不受粉塵及料面松散程度的影響。同時可通過軟件設計對干擾進行抑制。其傳播纜繩經過耐磨性、下拉力試驗,可以適應水泥廠的工況,此種料位計測量精度高,已在水泥廠成功應用。但產品價格高使應用范圍受限制。

    五、結束語

    雷達料位計是目前各類料位測量儀表中適用范圍最廣、測量最精確、維護最方便的料位測量儀表。隨著其價格的進一步降低,性價比的提高,應用將會越來越廣泛,在料位測量中發揮越來越重要的作用。本文對其進行系統的闡述,旨在為廣大維護人員更好地使用和掌握它,希望能對大家提供一些借鑒和幫助。


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