雷达微波物位计的原理及选型应用_淮安润中仪表科技有限公司

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雷达微波物位计的原理及选型应用

雷达物位计的原理及选型应用



雷达物位计的原理及选型应用

一、概述

雷达料位计是工业生产中的一个重要参数。料位测量的方法很多,针对不同的工况和介质可以使用不同测量原理的料位计,吹气法、静压式、浮球式、重锤式、超声波等几种常用的料位测量仪表,都有各自的特点和应用范围。雷达料位计运用先进的雷达测量技术,以其优良的性能,尤其是在槽罐中有搅拌、温度高、蒸汽大、介质腐蚀性强、易结疤等恶劣的测量条件下,显示出其卓越的性能,在工业生产中发挥着越来越重要的作用。。

二、原理及技术性能

雷达波是一种特殊形式的电磁波,雷达料位计利用了电磁波的特殊性能来进行料位检测。电磁波的物理特性与可见光相似,传播速度相当于光速。其频率为300MHz-3000GHz。电磁波可以穿透空间蒸汽、粉尘等干扰源,遇到障碍物易于被反射,被测介质导电性越好或介电常数越大,回波信号的反射效果越好。

雷达波的频率越高,发射角越小,单位面积上能量(磁通量或场强)越大,波的衰减越小,雷达料位计的测量效果越好。

1.雷达料位计的基本原理

雷达式料位计组成:它主要由发射和接收装置、信号处理器、天线、操作面板、显示、故障报警等几部分组成。

发射-反射-接收是雷达式料位计工作的基本原理。雷达传感器的天线以波束的形式发射最小5.8GHz的雷达信号。反射回来的信号仍由天线接收,雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间与传感器到介质表面的距离以及物位成比例。

即:h= H–vt/2

式中 h为料位;H为槽高; v为雷达波速度;t为雷达波发射到接收的间隔时间;

2.雷达料位计测量料位的先进技术:

(1)测量数据处理:

从雷达料位计的测量原理可以知道,雷达料位计是通过处理雷达波从探头发射到介质表面然后返回到探头的时间来测量料位的,在反射信号中混合有许多干扰信号,所以,对真实回波的处理和对各种虚假回波的识别技术就成为雷达料位计能够准确测量的关键因素。

(2)回波处理新技术的应用

由于液面波动和随机噪声等因素的影响,检测信号中必然混有大量噪声。为了提高检测的准确度,必须对检测信号进行处理,尽可能消除噪声。

经过大量的实验验证,采用数据平滑方法可以达到满意的效果。此方法也可有效的克服罐内搅拌器对测量的影响。

(3)雷达料位计的特点:

由于雷达料位计采用了上述先进的回波处理和数据处理技术,加上雷达波本身频率高,穿透性能好的优点,所以,雷达料位计具有比接触式料位计和同类非接触料位计更加优良的性能。

①可在恶劣条件下连续准确地测量。

②操作简单,调试方便。

③准确安全且节省能源。

④无需维修且可靠性强。

⑤几乎可以测量所有介质。

三、安装应注意的问题

(1)当测量液态物料时,传感器的轴线和介质表面保持垂直;当测量固态物料时,由于固体介质会有一个堆角,传感器要倾斜一定的角度。

(2)尽量避免在发射角内有造成假反射的装置。特别要避免在距离天线最近的1/3锥形发射区内有障碍装置(因为障碍装置越近,虚假反射信号越强)。若实在避免不了,建议用一个折射板将过强的虚假反射信号折射走。这样可以减小假回波的能量密度,使传感器较容易地将虚假信号滤出。

(3)要避开进料口,以免产生虚假反射。

(4)要避免安装在有很强涡流的地方。如:由于搅拌或很强的化学反应等,建议采用导波管或旁通管测量。

(5)传感器不要安装在拱形罐的中心处(否则传感器收到的虚假回波会增强),也不能距离罐壁很近安装,最佳安装位置在容器半径的1/2处。

(6)若传感器安装在接管上,天线必须从接管伸出来。喇叭口天线伸出接管至少10mm。棒式天线接管长度最大100或250mm。接管直径最小250mm。可以采取加大接管直径的方法,以减少由于接管产生的干扰回波。

7)关于导波管天线:导波管内壁一定要光滑,下面开口的导波管必须达到需要的最低液位,这样才能在管道中进行测量。传感器的类型牌要对准导波管开孔的轴线。若被测介电常数小于4,需在导波管末端安装反射板,或将导波管末端弯成一个弯度,将容器底的反射回波折射走。

四、应用中存在的问题及解决方法

有些工况下所使用的雷达料位计,因为传感器安装位置不当及条件所致,出现了一些问题,下面将对一些使用中的问题提出解决方案,供大家参考。

1.探头结疤和频繁故障的解决方法

第一个办法是将探头安装位置提高,但是有时候安装条件限制,不能提高的情况下,就应采用将料位测量值与该槽的泵联锁的办法,解决这一难题:将最高料位设定值减小0.5m左右,当料位达到该最高值时,即可停进料泵或开启出料泵。

2.雷达料位计被淹相应的改进办法

解决这种问题的办法是将雷达料位计改为导波管式测量。仍在原开孔处安装导波管式雷达料位计,导波管高于排汽管0.2m左右,这样一来,即使出现料浆从排汽管溢出的恶劣工况,也不会使料位计天线被料浆淹没,而且避免了搅拌器涡流的干扰及大量蒸汽从探头处冒出,减少了对探头的损害,同时由于导波管聚焦效果好,接收的雷达波信号更强,取得了很好的测量效果。使用导波管测量方式,可以改善表计测量条件,提高仪表测量性能,具有很高的推广应用价值。

3.关于泡沫对测量的影响:

干泡沫和湿泡沫能将雷达波反射回来,对测量无影响;中性泡沫则会吸收和扩散雷达波,因而严重影响回波的反射甚至没有回波。当介质表面为稠而厚的泡沫时,测量误差较大或无法测量,在这种工况下,雷达料位计不具有优势,这是其应用的局限性。

4.对于天线结疤的处理:

介电常数很小的挂料在干燥状态下对测量无影响,而介电常数很高的挂料则对测量有影响。可用压缩空气吹扫(或清水冲洗),且冷却的压缩空气可降低法兰和电器元件的温度。还可用酸性清洗液清洗碱性结疤,但在清洗期间不能进行料位测量。

现以我公司生产的雷达料位计及其他型号料位计进行说明在各个行业使用的具体情况及效果

雷达料位计:水泥厂使用的情况

水泥生产中的原料、半成品、成品均为粒块状或粉状固体物料,对其进行料位测量的场合很多,除生料、煤粉、水泥、混合材库外,篦冷机下料、立窑的卸料等工艺环节都有使用。随着水泥生产自动化水平和控制系统可靠性要求的提高,料位测量控制的作用日益突出。按生产工艺要求,雷达料位计料位测量装置有2类,一是极限料位检测,即料位开关,一般有上、下限2个检测点。一旦料面达到预先设定的料位,即发出控制信号,使喂料或卸料设备进行相应的动作。二是连续料位测量,有定时测定和需要时进行测定2种工作方式,用于较精确掌握料面高度的场合。有时为较好满足工艺要求,在一个料库上既设置连续测量的料位计,又配置固定高度的料位开关,即2种料位计各司其职,互相补充。

雷达料位计实际采用的料位计种类很多,必须针对不同工艺物料要求、不同料库,选用不同的料位计。下面对水泥厂常用的料位计应用进行介绍。

1 电容式料位计

电容式料位计原理是插入料仓中的电极与料仓壁之间构成电容器,当仓内物料料位变化引起电容量的变化时,通过转换电路得到相应的控制信号。因为电容量是连续变化的,因此该料位计可以用作连续式料位测量,也可用作料位开关,作为报警或喂料、卸料设备的输入信号。该料位计有造价低、无机械磨损、安装和维修方便等特点。传统的方式是通过调频振荡电路实现电容量到频率的转换,又经限幅放大及鉴频器的线性化,得到相应的电压或电流信号。若使用一段时间后电极(探头)上粘有物料,则往往会导致控制器误动作,现已由传统的检测电容量发展为检测探头与仓壁间导纳的方式。

依据量程的大小和控制方式的不同,电极设计成杆(棒)式或钢缆(重型钢缆)式,可使用于各种料仓。现在的新型产品为全密封一体化安装结构,采用射频振荡器和数字集成电路,无运动机械部件,“数字标定技术”使得用户可以在空仓的状态下一次完成标定,功能齐全、性能可靠、控制及时、显示直观。

安装此类料位计时应注意选取合适的安装点,避开下料口;注意信号线的屏蔽和接地,防止干扰。但仓内物料温度、湿度、运动速度的变化以及物料粘挂仓壁和电极等因素的影响,引起电容介电常数的变化。因此,若用作连续料位检测,其测量精度不高,通常用作料位开关。必须定期检查探头和料位开关动作情况并进行校验。

2 阻旋式料位计如阻旋料位开关

阻旋式料位计是一种料位开关。它也有不同的检测控制方式,如某产品的基本原理是同步微电动机经减速后,带动检测叶片以2.5~5r/min的转速旋转,当被测物料的料位上升使叶片的转动受到阻碍时,检测机构便围绕主轴产生旋转位移。此位移首先使一个微动开关动作,发出有料位信号。随后另一个微动开关动作,切断电动机电源使其停转。只要此料位不变这种状态便一直保持下去。当料位下降至叶片失去阻挡时,检测机构便依靠弹簧拉力使其恢复原始状态。一个微动开关先动作,接通电动机电源使其旋转,随后另一个微动开关动作发出无料信号,只要没有物料阻挡检测叶片的转动,此种状态也将一直保持下去。为防止使用中物料的冲击,库侧安装时应在检测叶片上方的料仓内壁上方安装防护板;如采用加长轴顶置垂直安装时,则应在轴套外安装保护套筒。此种料位开关结构简单、价格低廉、维护方便,多用作粉状物料料仓的料满开关,但不适合高温下工作。

3 射频导纳料位计(γ射线料位计)

γ射线料位计常用作料位开关。工作原理是在料库的一侧设置同位素源,在另一侧设置探测器,同位素源向探测器定向发射γ射线,若库内料面低于它,探测器检测得出料空信号;若库内料面高于它,则物料遮挡、吸收γ射线,探测器检测得出料满信号。依据料仓的形状和工艺要求,γ射线料位计可安装在不同的位置。它是非接触式测量,常用于工作环境恶劣的大型混凝土料库,如水泥熟料库。此时,要求所用的同位素源强,常用Co60源,源强达50~100mCi。γ射线料位计还广泛用在立窑的卸料料封控制上。γ射线被管中的熟料所吸收,探测器发出料满信号启动下面的卸料电振机。此时γ射线料位计的同位素源常用源强较低的且半衰期很长的Co137源。

它还可以用作窑尾预热器防堵的料位报警或者选粉机下料管的锁风。因有时接收器靠近热源,易导致信号失真和仪器寿命缩短,因此在高温环境工作时应重视冷却问题。它的特点是日常运行维护工作量小,操作简单,但也存在γ射线料位计放射源污染环境,放射源的衰减使料位控制不可靠等不足。

4 超声波料位计又叫超声波液位计

超声波料位计装置是利用声纳原理来确定容器内物料料位的,是一种在线声纳定位设备。超声波换能器发出的超声波脉冲,通过空气传到物料的界面并被反射,测出超声波脉冲从发射到换能器接收所用的时间,再根据空气中的声速,就可计算出换能器到物料面的距离,从而确定料位。物料表面的松散程度,对超声波信号的衰减影响很大;若料仓中弥漫料尘时,超声波会被料尘吸收,从而使信号有所衰减,且粉料粘附在换能器表面等原因都严重影响料位测量的准确性。因此,超声波料位测量装置适合块状物料的连续料位监测。

为解决该类仪器的不足,某些生产厂家,通过采用新材料、新技术,提高了换能器发射强度,避免了换能器的挂料、堵塞现象,并能应用于高温环境。在控制电路设计中,增加鉴别真伪信号的功能,使研制的超声波料位计成功应用于水泥仓。笔者曾到北京某混凝土搅拌站现场考察过某大学声学研究所的仪器,发现它安装和使用方便,测量数据精确。

5 雷达料位计

雷达料位计工作原理和超声波料位计类似,它发射的微波是一种电磁波,其传播速度不受介质的特性影响。它是利用电磁波回波测距原理来实现料位测量的。微波从天线出发,到达被测目标经反射再被天线接收,按微波来回传播时间来计算的距离反映了料位。一般有脉冲雷达和调频连续波雷达2种。由于受粉尘、料面坡度及物料松散程度的影响,微波在传输过程中会有衰减,影响其准确性和可靠性。某公司生产的缆式导波雷达可以解决传统雷达料位计上述缺点。它的原理是高频脉冲从探头发出后沿缆绳传播,当脉冲遇到料位表面时将会反射回来,由接收器接收,信号经转换成料位信号。由于微波沿缆绳传播,脉冲的强度和方向性均不受粉尘及料面松散程度的影响。同时可通过软件设计对干扰进行抑制。其传播缆绳经过耐磨性、下拉力试验,可以适应水泥厂的工况,此种料位计测量精度高,已在水泥厂成功应用。但产品价格高使应用范围受限制。

五、结束语

雷达料位计是目前各类料位测量仪表中适用范围最广、测量最精确、维护最方便的料位测量仪表。随着其价格的进一步降低,性价比的提高,应用将会越来越广泛,在料位测量中发挥越来越重要的作用。本文对其进行系统的阐述,旨在为广大维护人员更好地使用和掌握它,希望能对大家提供一些借鉴和帮助。


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