雷達(dá)物位計在高爐上的應(yīng)用

一、序言

高爐上的物位量是鋼鐵行業(yè)中一個非常重要的測量數(shù)據(jù)，它對于鋼鐵生產(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。高爐上的的物位測量點包括兩種介質(zhì)的測量：爐頂?shù)V料的物位測量和魚雷罐車的鐵水的液位測量。

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

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

二、測量原理和產(chǎn)品介紹

Sitrans LR400型雷達(dá)物位計是第一款專門針對粉狀固體的測量特點而研發(fā)的非接觸式雷達(dá)物位計。因此這款產(chǎn)品一經(jīng)推出后，其優(yōu)異的固體測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)物位計在固體物位測量市場上的領(lǐng)先優(yōu)勢，推出了專用用于固體測量的雷達(dá)物位計固體型LR400。

LR400之所以能夠在固體測量領(lǐng)域取的如此優(yōu)異的業(yè)績，這是因為：

1、 它使用24GHz高頻微波作為測量信號。根據(jù)波的特性：速度=波長*頻率，我們可以得知24GHz高頻的微波的波長較其他頻段的雷達(dá)波的波長要短的多。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（見圖）。FMCW的基本測量原理是：探頭同時進(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)生一個相位差，這個相位差通過一個快速傅立頁的轉(zhuǎn)換后，形成一個頻譜，而這個頻譜與雷達(dá)物位計測量的距離呈一個線性的關(guān)系。因此，通過對鋸齒波的相位的檢測即可得到一個高精度的物位信號。由于采用了FMCW的測量原理，使雷達(dá)波能夠源源不斷的"射"向測量介質(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。四線制的設(shè)計保證了儀表有足夠的功率來發(fā)射足夠強(qiáng)的能量來滿足惡劣的測量條件：LR400能夠測量介電常數(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，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量的需求。

1、 新了瞄準(zhǔn)器的設(shè)計，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。

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)場的要求。

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

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

5、 另外，設(shè)計了新的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，通常主要有三個測量要求物位測量：

高爐料面測量；
高爐布料倉料位測量；
魚雷罐鐵水液面測量。

1、高爐料面測量。需要使用物位計測量準(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，高爐料倉的高度不可為空，否則無法保證布料倉的礦料得到及時供應(yīng)；也不可使料倉料位過滿，導(dǎo)致溢出。一般這一測量點需要的測量范圍最大約在5~6米左右。

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

如左圖的物位計安裝位置的出口溫度一般超過600℃。如果不加任何處理將LR400用于這一工況測量，由于LR400的標(biāo)準(zhǔn)型的測量過程溫度為200℃，高溫型的過程溫度為250℃，但是也不能滿足這個測量點的要求。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)過反復(fù)的研究以后發(fā)現(xiàn)，高溫主要有倉內(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)計制作導(dǎo)波彎管來避開倉頂安裝出口處的高溫氣體；另外，為了降低傳導(dǎo)熱的影響，整個導(dǎo)波管的長度超過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2~3星期的現(xiàn)場測量后，物位測量結(jié)果基本準(zhǔn)確。

另外，值得一提的是，現(xiàn)場的工況比較惡劣，常用礦石掉落在現(xiàn)場，由于LR400的標(biāo)準(zhǔn)配置是堅實的鋁外殼設(shè)計，因此即使如此惡劣的現(xiàn)場工況，LR400也不會存在任何問題。

3、對魚雷罐鐵水的測量。鐵水的溫度高達(dá)1000℃以上。但是由于測量的介質(zhì)是液體，因此主要需要解決的問題是如何解決高溫的問題。

在這一測量點上，我們應(yīng)用Siemens雷達(dá)物位計嘗試了三種不同的方法來解決高溫的問題，均取得良好的效果。

A、在加長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)液位計的喇叭天線口的過程溫度。

B、采用導(dǎo)波彎管的設(shè)計，避開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，以降低過程中的超高溫。

四、結(jié)束語

在國內(nèi)，因為高爐的料位測量比較特殊，所以一直沒有一個理想的解決方案。曾經(jīng)采用過的測量方案有：α射線物位計、激光物位計、投標(biāo)尺等測量方式。

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

	LR400雷達(dá)物位計	α射線物位計	激光物位計	投標(biāo)尺
測量方式	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， 無需降溫	裝隔熱玻璃窗	無
高溫的影響	無	無	無	無
對人的危害性	無	極大	無	無
安裝要求	簡單	難度大	對安裝要求高	簡單
通訊信號	4~20mA，Profibus可選	4~20mA	4~20mA	無
維護(hù)量	基本免維護(hù)	低	高	高
最大量程	50m， 量程可調(diào)	量程可通過加裝測量桿實現(xiàn)，但費(fèi)用高	大	不超過30米
對現(xiàn)場的適應(yīng)能力	鋁外殼， 堅實， 現(xiàn)場適用性強(qiáng)	一般	精密儀表， 適用性差	適應(yīng)性強(qiáng)，堅實
使用壽命	長，一般按10年計	長，α射線源有衰減	短，一般約2~3年	一般
價格	一般	貴	極貴	較低