高频雷达物位计在料位测量中的应用

王大千

高频雷达物位计在料位测量中的应用

Application of High Frequency Radar Material Position Meter in Measurement

王大千

1 问题的提出

由于水泥厂固态物料具有高磨损性和大容量的特点，接触式料位计，例如重锤，有许多诸如过度磨损和维修方面的缺陷，并且在使用过程中存在钢缆断裂和重锤掉落入物料的危险。如果钢缆及重锤掉入容器会损坏料仓的下料装置，并且导致昂贵的维修成本和潜在的停产风险。

水泥生产的填料周期会产生大量的粉尘，超声波物位计测量信号会产生很大的能量损耗，从而导致严重的信号衰减。水泥生产线有气动料仓，也有料仓有底部吹气系统来均匀物料，比如生料均化库、水泥成品库，这些料仓内都有浓度极高的粉尘。另外，部分物料的高温也限制了超声传感器的选择，比如熟料仓里的熟料。

在水泥生产线，大多数物位测量传感器都安装在料仓顶部，而其中有些料仓高度甚至可能高达80m，且部分料仓底部还采用倒锥型结构并增加底吹来均匀混合物料，产生浓度极高的粉尘，这使得采用普通的料位计测量相当困难，特别是电梯无法使用的时候，人为上料仓监测更为麻烦，给生产带来极大的不稳定性。

水泥行业的工况基本涵盖了固态物料料位测量的所有挑战，例如：浓度极高的粉尘、高温、大量程、机械磨损严重、低介电常数等等。而现今非接触式微波（雷达）物位计已成为水泥生产物位测量的首选，也成为了绝大多数固态物料料位测量的首选。

自2011年，我们尝试使用了一种高频的雷达料位计，在水泥库、生料均化库等以往测量效果不理想的地方安装后，使用效果比较理想，基本克服了高浓度粉尘、物料界面不清晰、安装位置靠近库顶钢梁等不良影响，测量值稳定，没有以前的死机、测量值跳跃等现象。而且，这种高频雷达料位计体积很轻巧，安装很方便。

2 高频雷达料位计

SITRNAS LR560是一款全新的微波（雷达）物位计，首次采用了78GHz高频微波技术，及透镜式平面天线。天线直径不到3″(接近2.5″)，波束角仅4°，可采用3″法兰安装，长达1m的安装立管都不会影响测量（立管直径需大于3″）。

SITRNAS LR560是一款专为固态物料设计的微波（雷达）物位计，由于其采用78GHz高频微波，微波波长仅3.85mm，可以在很细的颗粒表面产生良好的信号反射，对倾斜的固态物料表面也能可靠测量，是固态物料料位测量的最佳解决方案。

SITRNAS LR560分标准型和增强型：标准型量程为40m；增强型达100m，过程温度200℃，主要用于测量固态物料的料位。整个仪表重量约3.15kg，比同类产品轻很多，尺寸也小，携带、安装都很简单。只有4°的窄波束角，使安装时容易避开仓内障碍物，且对安装条件几乎无要求。SITRNAS LR560还配置了吹扫接口，可连接气源对天线进行吹扫，这个配置应用于高介电常数物料易粘附的工况能达到较好的效果。

该产品安装后几乎不需要任何调整，参数设置快速、简便，可用表头按键或红外手操器操作，支持中文操作界面，极大地方便了中国客户的使用。图形化界面可以很方便地在几十秒内完成设置，甚至不需要操作手册。SITRANS LR560采用FMCW方式，24VDC 供电，二线制 4～20mA/Hart输出，节约安装、布线的时间和成本。

3 性能特点

目前世界上的微波（雷达）物位计有脉冲法（Pulse）和连续调频法（FMCW）两种。

脉冲波测距是由天线向被测物料面发射一个微波脉冲，当接收到被测物料面上反射回来的回波后，测量两者时间差(即微波脉冲的行程时间)，来计算到物料表面的距离。由于微波以光速传播，因此脉冲技术其微波发射和返回之间的时差非常小，对于几十米的距离时间差为纳秒级。

连续调频(FMCW)技术是用间接方法来测量距离。因为微波发射和返回时差太小，直接测量难以达到高精度，故转换成频率量的差值来测量，可以达到稳定、可靠、高精度的测量效果。天线发射一个频率被线性调制的微波连续信号，频率线性上升，所接收到的回波信号频率也是线性上升的，两者的频率差与离目标的距离成一定比例（见图1）。SI⁃TRANS LR560采用的就是FMCW技术，在固态物料测量中即使存在高粉尘工况，也能保证高稳定性、高可靠性的物位测量目的。

目前微波物位计使用的微波频率主要有三个频段：C波段(5.8～6.3GHz)、X 波段(9～10.5GHz)、K 波段(24～26GHz)。SITRANS LR560 是 首款突破K波段（24～26GHz），采用高达78GHz技术的超高频微波（雷达）物位计。

不同频段因波长不一样，导致天线尺寸、适用物料有所不同。物位测量中的微波一般是定向发射的，通常用波束角来定量表示微波发射和接收的方向性，对于常用的圆锥形喇叭天线来说，微波的频率越高，波束的聚焦性能越好，即波束角越小，更有利于避开障碍物；并且，微波的频率越高，其喇叭尺寸也可以做得越小，更易于开孔、安装，这些在实际应用中很重要。

例如：K 波段(24～26GHz)微波（雷达）物位计需采用4″喇叭天线达到 8°波束角，而 C波段(5.8～6.3GHz)微波（雷达）物位计需采用8″喇叭天线达到17°波束角，这种较宽的波束，如果安装不得当，将会受到料仓内部结构产生的较多的虚假回波，而SITRANS LR560由于其78GHz超高频技术（属于E波段60～90GHz），用直径不到3″的天线就可达到只有4°的窄波束角（见图2）。X波段（9～10.5GHz）微波（雷达）物位计由于没有明显的应用特点，近几年各大物位厂商基本上已经停止了这一技术的发展和应用。

SITRANS LR560非常窄，只有4°的窄波束角，可有效避开料仓中的障碍物，且几乎不受安装立管的影响；最小3″的小尺寸天线，在哪里都可以安装，且搬运、开孔、安装都很方便（较低频率需要使用大尺寸天线）；超短的波长，只有3.85mm，可在倾斜的固态物料表面产生异常良好的信号反射，针对固态物料安息角所需的瞄准器通常不再需要了。这些都受益于SITRANS LR560独创的78GHz技术。

4 高频雷达料位计的使用情况

我厂在过去十多年里在物位测量方面尝试了多种技术，其中包括重锤、超声、激光、电容及其他品牌的微波（雷达）物位计，但使用效果不佳，测量不稳定，且之前的很多料位计的维修成本相当高，遇到突发情况，也不能清洗更换，SITRNAS LR560以其安装简单、测量非常稳定、可靠、免维护的性能获得了良好的使用效果。

SITRANS LR560在我厂生料均化库进行试用，效果非常稳定、可靠（见图3）。

在整个水泥生产工艺中，生料均化库的料位的监测是最具挑战性的，也是非常重要的。在水泥生产中不仅仅用均化库的物位读数来控制料仓的料位和均化的质量，而且指定计划生产数量和安排关机时间都需要均化库的料位值。虽然这是一个关键过程，但得到可靠的连续测量在过去几乎是不可能的。

因为均化库是将各种原料混合到均化状态，料仓要求同时且持续地填料和放空以混合物料，这就形成了不断变化的物料表面；均化库内结构复杂，仓底为倒锥型结构，并有底吹来均匀物料，使得仓内不断装满各种气体，产生浓度极高的粉尘和不清晰的界面。从生料库顶部观察，只有不超过5m的可见范围；且生料均化库一般都为大量程应用，我厂的生料均化库库高38m。这些都使得可靠的物位测量变得更加困难。

图4为SITRNAS LR560在我厂均化库料位的中控室数据趋势图。SITRNAS LR560不受均化库中极度粉尘的影响，测量非常稳定、可靠，保证了料仓物位的准确性，提高了生产效率和产量。SITRNAS LR560可靠的物位监测使得经营者可实时、有效地控制生产过程。

我厂的熟料仓也进行了SITRNAS LR560的试用，该熟料仓仓高28m高。熟料一般在装入料仓时温度还是很高的，而且粉尘很大。高温、高粉尘对超声波技术而言是个很大的挑战，因此我厂现在用SITRNAS LR微波（雷达）料位计，来监控熟料料仓的物位。装料时溢出会涉及安全问题，而SI⁃TRNAS LR微波（雷达）料位计确保了此类事情不会发生，SITRNAS LR560在熟料仓使用效果良好，其回波曲线见图5。

5 结语

凭借78GHz技术、小尺寸天线和窄波束角，SITRANS LR560已经成为现今市面上最先进、简单、可靠的固态物料料位测量微波（雷达）物位计。在未来的几年里，预计更高频率的78GHz技术将取代25GHz技术，因为它提供了一个更小的天线和窄波束，可广泛应用于各种工况，是安装和调试费用更低、性能更好的解决方案。

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赵 莲