雷达料位计应用探析

王艳 丁维华

摘 要：料位是工业生产过程的主要测量参数之一，冶金工业主要采用非接触式的雷达波技术进行料位测量。本文阐述了雷达料位计的工作原理、特点，并就其在应用研究中的安装、维护提出具体建议，为合理选择和应用雷达料位计提供了一些可以借鉴的经验和方法。

关键词：介电常数；料位测量；雷达料位计

1、雷达料位计的基本原理

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，被测量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。

发射—反射—接收是雷达式料位计工作的基本原理。即：

h=H-vt/2

h—料位；

H—槽高；

v—雷达波速度；

t—雷达发射到接收的间隔时间。

雷达料位计以时域反射原理（TDR：Time Domain Reflectometry）为基础，时域反射原理首先是用于通讯电缆的故障检测，如今将导波雷达料位计成功应用于工业测量领域。

2、对先进技术的关注

2.1 回波处理新技术的应用

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。

2.2 测量数据的处理

由于料位表面波动和随机噪声等因素影响，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波动料位表面对测量的影响。

2.3 最新雷达料位计的特点

雷达料位计具有以下三点比接触式料位计和同类非接触式超声波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。

3 雷达料位计的选型

3.1 脉冲型和调频连续波雷达

用于测料位的雷达料位计通常分为两类：脉冲型雷达（Pulse）和调频连续波雷达（FMCW）。在过程监测场合主要选用脉冲型雷达，由于其频率较低（6.3GHz），并且在天线结构设计时充分考虑了冷凝、积料等影响，还能利用超声波料位计中的回波信號处理，在有搅拌器等复杂工况中也能识别有效回波，价格相对也较便宜，故在冶金行业中主要采用了以VEGA公司为代表的VEGAPULS型脉冲型雷达和E+H的FMR型雷达；调频连续波雷达由于发射功率大，量程大，故最近在冶金行业已较多采用了以SIEMENS公司为代表的LR型调频连续波雷达。

3.2 颗粒状物料的造型

在冶金厂原料大多是颗粒状物料，少数是块料，如石油焦、原煤等，其半成品熟料也是颗粒状物料，储存在库或仓里，都存在物料的安息角，但也有反射介面。根据入料和卸料所形成的物料安息角和表面情况，在确定有效量程后，建议采用非接触型的雷达料位计，即带有棒形或号角形天线的料位计。

3.3 粉状物料的选型

在电解铝厂中有新鲜氧化铝库和含氟氧化铝库，这些物料全是粉料，非常难测其料位。为此建议采用接触型雷达料位计，也可选用大法兰的带有号角天线的非接触型雷达料位计，较典型的产品有VEGA—FLEX52K和E+H的FMP40缆式雷达料位计，它实际上是把缆绳既当天线又作导波管，合二为一，微波脉冲从探头发出后沿缆绳传播，当脉冲遇到物料表面时会被反射出来，其量程可达70m，被测物料的介电常数ε最低为1.6，另外缆绳的耐磨和忍受的最大下拉力，能满足电解铝厂各类粉料库的检测要求。目前已有许多电解铝厂用缆式雷达料位计测量氧化铝仓和粉煤灰库的料位，取得较好的效果，如青钢峡、云南富源等电解铝厂。

3.4 二线制

目前使用的雷达料位计大多是一体化的产品，由二线制供电，可直接控制系统的模块，输出4～20mA的模拟信号，可节省大量电缆；同时还提供HART数字信号和各种协议的现场总线的数字通信功能，和计算机监控系统连接非常方便，既可在现场调试，也可用PC机在控制室调试，如组成FCS系统还可在操作员站调试。

4 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）。3）要避开进料口，以免产生虚假发射。

4）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。

5）要避免安装在有很强涡流的地方。在有搅拌或很强的化学反应的地方，可以采用加装导波管或旁通管的方式，以减少涡流对测量的影响。

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。

5、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，或采用将料位测量值与该槽的泵联锁的办法，解决这一难题。

2）雷达料位计被淹相应的改进办法：是将雷达料位计改为导波管式测量，可以改善仪表测量条件，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收。当介质表面为稠而厚的泡沫时，测量误差较大或无法测量。

4）对于天线结疤的处理：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。

6、结语

电解铝厂的料位测量是生产自动化系统一个重要组成部分，雷达料位计的应用解除了人们对料位测量的疑虑。另外，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，其应用将会越来越广泛，在料位测量中发挥起来越重要的作用。

参考文献：

[1]蔡峥嵘，张光胜.雷达液位计应用探析[J]计量技术，2007，（6）：69-71

（作者单位：贵州航天乌江机电设备有限责任公司）