摘要：高爐爐頂料罐料位測量是高爐自動(dòng)上料系統(tǒng)中十分重要的檢測參數(shù)，料位計(jì)工作的穩(wěn)定性，直接關(guān)系著爐頂設(shè)備能否可靠動(dòng)作。本文介紹了雷達(dá)料位計(jì)的工作方式，測量原理、組成，特點(diǎn)及常見故障的處理方法，以及雷達(dá)料位計(jì)在龍鋼煉鐵廠的高爐爐頂料罐料位測量控制的應(yīng)用情況和所取得的效果。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)料位計(jì) 料罐 料位測量 應(yīng)用

前言：隨著高爐裝備水平和自動(dòng)化水平的不斷提升，在高爐連續(xù)生產(chǎn)過程中，高爐爐頂料罐料位檢測對于爐頂設(shè)備可靠動(dòng)作，保證高爐爐況順行，提高生產(chǎn)效率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前爐頂料罐料位檢測常規(guī)采用核子料位計(jì)，雖其工作穩(wěn)定，料位計(jì)使用CS137放射源，輻射產(chǎn)生的r射線如若防護(hù)不當(dāng)會(huì)對人體有一定的傷害，料位計(jì)輸出信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，有一定的局限性。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展，從軍工發(fā)展而來的非接觸測量雷達(dá)料位計(jì)，它以不受被測量介質(zhì)的形狀大小影響，連續(xù)輸出測量物位信號(hào)等顯著優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。

一、雷達(dá)儀表發(fā)展簡介

RADAR譯音雷達(dá)，是RadioDetectionAndRange第一個(gè)字母縮寫而成。1865麥克斯偉發(fā)現(xiàn)電磁波，1922年前一直從事理論研究，直至1922年美國研制作了第一臺(tái)雷達(dá)，1935年用于飛機(jī)定位，1939年雷達(dá)用于軍事通信；1960年民用雷達(dá)用于公路汽車流速監(jiān)視，1976年第一臺(tái)雷達(dá)料位計(jì)問世。研究實(shí)驗(yàn)12年后，1989年按IEC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研制了非接觸式一體化的雷達(dá)料位計(jì)。在我國使2000年后迅速發(fā)展。

雷達(dá)屬于無線電設(shè)備，受國際無線電協(xié)會(huì)管理，規(guī)定了工業(yè)雷達(dá)工作頻段如下：

C波段：4-8GHZX波段：8-12GHZJ波段：12-18GHZ

K波段：18-26.5GHZQ波段：26.5-40GHZV波段：40-60.8GHZ

O波段:60-120GHZ

目前市面上雷達(dá)工作頻率主要分為:5.8GHZ、9.8-11GHZ、24GHZ三個(gè)頻段。

雷達(dá)工作波形：正弦連續(xù)波、鋸齒連續(xù)波、脈沖波。

二、雷達(dá)料位計(jì)概述

雷達(dá)料位計(jì)（RADAELevelMeter）是非接觸測量儀，它是電磁波傳輸，它的傳輸頻率高于2GHZ以上，而波長λ小于15cm的電磁波通常稱微波，因而雷達(dá)料位計(jì)又稱微波料位計(jì)。

微波范圍從1-120GHZ，分為7個(gè)頻段；國際上公認(rèn)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用頻段，習(xí)慣稱ISM頻段。

雷達(dá)料位計(jì)的中心頻率為2.45GHZ、5.8GHZ、10GHZ和24GHZ為中心頻率。雷達(dá)料位計(jì)的傳輸速度為光速，光速符號(hào)為C（ms?¹），即C=10?ms?¹直線傳播，當(dāng)微波發(fā)射到固體和液體表面時(shí)產(chǎn)生反射，經(jīng)過時(shí)間延時(shí)后，天線（發(fā)射和接收共用）接收到反射波后，經(jīng)過設(shè)備中的微處理器將發(fā)射頻率和接收頻計(jì)算出頻率差△F（或者計(jì)算延時(shí)時(shí)間t），算出距離，而料位就是料罐高度減去距離的差值。

雷達(dá)料位計(jì)有兩種工作模式：

脈沖波（Pulse）方式：脈沖式雷達(dá)料位計(jì)測量精度比連續(xù)波雷達(dá)測量精度差。

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）方式：測量線路較復(fù)雜，精確度較高可達(dá)0.1%FS，干擾回波也較易去除。由于微波是電磁波，以光速傳播且不受介質(zhì)特性影響，克服超聲波測量儀的缺點(diǎn)，較適合礦石、焦炭等料位的測量。

三、雷達(dá)料位計(jì)與超聲波料位計(jì)和同位素料位計(jì)比較

雷達(dá)料位計(jì)是隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展，從軍用發(fā)展為工業(yè)用的非接觸測量儀。它可以連續(xù)測量物位信號(hào)，提供可靠的控制信號(hào)，它突出優(yōu)點(diǎn)如下：

1、雷達(dá)料位計(jì)是頻率調(diào)制的高頻電磁波（2GHZ以上），傳播速度為300000000m/s，是光速，它不通過介質(zhì)傳播；他不受介質(zhì)密度、導(dǎo)電率的影響，而超聲波傳播速度為344m/s，為聲速，依靠空氣介質(zhì)傳播，它對空氣中潮濕度和粉塵量有影響。

2、雷達(dá)料位計(jì)不受被測量介質(zhì)的形狀大小影響，超聲波受測量介質(zhì)密度變化影響。

3、雷達(dá)料位計(jì)不受被測量介質(zhì)的壓力影響。超聲波靠空氣傳播，壓力對它有影響

4、雷達(dá)料位計(jì)不受測量介質(zhì)的粉末多少影響，而超聲波在多粉塵環(huán)境中傳播會(huì)削弱。

5、雷達(dá)料位計(jì)可以穿過泡沫測量真實(shí)液位，超聲波受泡沫影響凡有泡沐存在的地方，超聲波測量液位易出現(xiàn)假液位。

6、工業(yè)用雷達(dá)料位計(jì)，發(fā)射功率小，對人體無任何傷害，對環(huán)境無污染；而同位素料位計(jì)一般結(jié)構(gòu)為：

圖1

放射源，和探測裝置構(gòu)成同位素料位計(jì)。高爐上多數(shù)使用CS137放射源，強(qiáng)度在1000毫居里以上，半衰期（30年）不能使用了，要指定地點(diǎn)長期保存，而且對環(huán)境有污染，輻射能量大，產(chǎn)生的r射線對人體有一定的傷害。

四、雷達(dá)料位計(jì)組成、原理及特點(diǎn)

高爐雷達(dá)料位計(jì)可以長期嵌入高溫、高灰塵料罐內(nèi)安全可靠工作,實(shí)時(shí)檢測高爐爐料罐料位的變化,是高爐上料以及中心控制室控制調(diào)節(jié)爐況操作必不可少的專用設(shè)備.雷達(dá)料位計(jì)采用FMCW雷達(dá)方式(FFT解析),連續(xù)非接觸測量高爐料罐爐料位的變化。

4.1、雷達(dá)料位計(jì)測量原理

雷達(dá)料位計(jì)主機(jī)采用的是高頻信號(hào)，是連續(xù)調(diào)頻波工作。在測量期間，雷達(dá)線性掃頻，經(jīng)過微波管和圓錐型喇叭天線發(fā)射，發(fā)射微波到被測量物質(zhì)（固體或者液體）表面后反射，經(jīng)過時(shí)間延時(shí)，反射微波被錐型喇叭天線接收（發(fā)射和接收天線共用）后，微波信號(hào)經(jīng)微處理器自動(dòng)計(jì)算實(shí)際發(fā)射頻率與反射頻率之間的頻率差值ΔF，ΔF與距離成正比，差值越大，距離越大，反之亦然。ΔF頻率差通過傅立葉變換成頻譜，從頻譜中算出距離，而爐頂料罐料位高度是高爐料罐與距離之差的計(jì)算值。

原理圖2如下：

圖2

4.2、發(fā)射角與發(fā)射率的關(guān)系

（1）發(fā)射角小，發(fā)射微波效率高，但是從接受多個(gè)角度的發(fā)射波是極其不利的，這個(gè)只能用于特別要求的場合。

（2）喇叭口徑越大，可以接收多個(gè)角度的反射波。與發(fā)射率成正比的關(guān)系。

（3）發(fā)射角沒有特別要求的情況下，對厘米波頻率的雷達(dá)發(fā)射角在控制8-10º，喇叭口徑為Ф250-400左右，對提高反射率，特別測量低反射系數(shù)的礦石、焦碳，可以長期穩(wěn)定測量料位值，起重要保證。

（4）頻率高，喇叭天線尺寸可以小一點(diǎn)，但是頻率越高，折射干擾越多。

4.3、雷達(dá)料位計(jì)的組成

高爐爐頂雷達(dá)料位計(jì)由雷達(dá)主機(jī)：由電子轉(zhuǎn)換器、微波法蘭窗口、微波管、氣體吹掃系統(tǒng)、錐型喇叭天線等組成。高爐爐頂雷達(dá)料位計(jì)安裝示意圖3如下所示：

圖3

（1）雷達(dá)料位計(jì)組裝圖4如下：

圖4

（2）吹掃管路連接示意圖5：

圖5

（1）用1/4變3/4變徑接頭,連接到組裝圖“9”焊接的1/4內(nèi)絲內(nèi)。

（2）3/4變3/8變徑接頭,連接到組裝圖“11”焊接的3/8內(nèi)絲內(nèi)。

4.4、電氣圖連接

（1）雷達(dá)料位供電和信號(hào)輸出,從中心控制室敷設(shè)1根阻燃3×2.5mm²電源電纜和1根2×1.5mm²屏蔽電纜到雷達(dá)接線盒。

（2）雷達(dá)電氣接線盒，如下圖6所示：

圖6

（3）電源電纜和信號(hào)屏蔽電纜通過防水電纜接頭分別接入供電端子和雷達(dá)輸出信號(hào)端子，傳輸?shù)街行目刂剖遥≒LC），必須經(jīng)過信號(hào)隔離器濾出干擾，接入PLC。

4.5、雷達(dá)料位計(jì)的技術(shù)性能

（1）應(yīng)用范圍：非接觸測量料罐料位；

（2）工作方式：FMCW雷達(dá)，連續(xù)高頻調(diào)頻信號(hào)，工作X頻率段，工作頻率8.8~9.8Ghz,調(diào)頻幅度1GHZ；

（3）測量范圍：0-50米；

（4）輸出：HART協(xié)議，4-20mA電流輸出，負(fù)載阻抗≤250Ω

電子轉(zhuǎn)換器防護(hù)等級(jí)：IP67；

（5）天線：圓錐型喇叭天線，發(fā)射角度：8-10º；材質(zhì)：316L。

（6）防爆型：PTB99ATX2061EEX-deIICT6—T1；

（7）天線工作溫度：-30℃~1000℃；

（8）連接法蘭：DN250-DN400；

（9）工作最高壓力：6.4MPa；

（10）供電電源：200~240VAC，常規(guī)供電220VAC±15%；

（11）測量精度：分辨率±1mm,測量精度±0.5%FS；

（12）氣體吹掃系統(tǒng)：消耗氮?dú)?0m³/h，氮?dú)鈮毫?.3MPa以上。確保RY系列雷達(dá)主機(jī)可靠運(yùn)行。

4.6、雷達(dá)料位計(jì)的特點(diǎn)

（1）使用高增益天線。高增益天線抗干擾能力強(qiáng)，縮小盲區(qū)（死區(qū)）有效補(bǔ)償傳輸過程中微波損失，可靠測量低介質(zhì)礦石、焦碳、石灰石爐料位，有掛料時(shí)，對測量精度不受影響。

（2）在微波管上開孔加壓0.3-0.7MPa，能使微波傳輸通道內(nèi)長期維持正壓，在高爐放散和料罐裝料時(shí)，爐內(nèi)灰塵也不會(huì)吹入微波管。

（3）微波傳輸通道設(shè)計(jì)隔熱法蘭，減小熱傳導(dǎo)，能防止就地LCD顯示屏和電子電路超溫?fù)p害。

（4）爐料位連續(xù)測量不受爐內(nèi)壓力、溫度變化及爐料形狀大小的影響。

（5）在微波管通道內(nèi)，設(shè)置高溫高壓隔離器，有防堵塞,隔熱防熱輻射，確保設(shè)備長期安全可靠工作。能有效防止高爐有害氣體進(jìn)入電子盒內(nèi)而造成的印刷電路板腐蝕；同時(shí)在線檢修時(shí)，能保護(hù)人身安全。雷達(dá)設(shè)備工作在正壓工作狀態(tài)，灰塵不會(huì)吹到微波管內(nèi)。

（6）發(fā)射模塊和接收模塊嵌入微波管內(nèi)，吹掃發(fā)射模塊的氣體進(jìn)入高爐，能使發(fā)射模塊不易受灰塵污染，提高測量的穩(wěn)定性和可靠性。

（7）雷達(dá)主機(jī)工作X波段，波長3.1cm，非接觸測量，具有高性能目標(biāo)分辨率。該波段發(fā)射的電磁波，遇到料面后，發(fā)射高，與24GHZ高頻雷達(dá)相比較，無折射干擾，是理想固體料位計(jì)。

（8）阻抗變換器裝在微波管內(nèi)，不容易受外來灰塵影響，免維護(hù)。

圖7

五、雷達(dá)料位計(jì)維護(hù)及常見故障處理

5.1、雷達(dá)料位計(jì)的日常維護(hù)

（1）雷達(dá)在正常投運(yùn)過程中，氮?dú)獠荒苤袛唷?/p>

（2）每次檢修恢復(fù)投產(chǎn)后，必須打開氮?dú)饨刂归y，讓氮?dú)獯祾呃走_(dá)系統(tǒng)。

（3）定期（一般每3個(gè)月）對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行清理，如喇叭天線、導(dǎo)波管、下聚四氟乙烯模塊除塵處理，處理時(shí)注意不要損壞聚四氟乙烯模塊和顛倒原有安裝位置，特別小心注意儀表設(shè)備上面的專用小配件不要丟失，清理之后要按原樣安裝。

5.2、雷達(dá)料位計(jì)常見故障處理

（1）電流信號(hào)停留在一個(gè)較小的固定值時(shí)，第一步檢查氮?dú)獯祾呤欠裾?，請接通氮?dú)獯祾撸瑱z查電流信號(hào)是否正確，若不正確請進(jìn)行下一步；第二步是料位太高或者天線有沉積，縮小料位或者清理天線，檢查電流信號(hào)是否正確。

（2）使用RS232通訊接口和軟件連接調(diào)看數(shù)據(jù)和記錄，軟件安裝在電腦上，在電流信號(hào)一端串入250歐姆左右電阻，用RS232接口接在電阻兩端和電腦相應(yīng)通訊接口連接，可以對雷達(dá)料位計(jì)進(jìn)行重新標(biāo)定、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置、去除雜波干擾等操作。

六、結(jié)束語

雷達(dá)料位計(jì)于2009年6月用于龍鋼煉鐵廠新區(qū)1、2#高爐爐頂料罐料位檢測，經(jīng)過兩年多的實(shí)踐證明，雷達(dá)料位計(jì)完全滿足現(xiàn)場工況條件，長期穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，測量信號(hào)準(zhǔn)確可靠，信號(hào)輸出穩(wěn)定靈敏。其輸出信號(hào)接入高爐爐頂PLC自控系統(tǒng)，經(jīng)過邏輯判斷，用于爐頂設(shè)備自動(dòng)時(shí)序控制，控制準(zhǔn)確可靠，為高爐穩(wěn)產(chǎn)順行創(chuàng)造了良好條件，效果果十分顯著。

參考文獻(xiàn)

1、《BM70A雷達(dá)物位計(jì)——微波非接觸式物位測量儀表操作手冊》

科隆測量儀器（上海）有限公司