雷达探尺的研究与应用

邢增彬

（中环天仪股份有限公司，天津 300384）

0 引言

目前市场上，常见的雷达液位计大致可分为3大类，包括脉冲雷达液位计、导波雷达液位计及调频连续波（FMCW）雷达液位计。前两种液位计都属于脉冲式雷达液位计，其工作原理一样，都是通过测量时间差来计算液位高度的。发射的都是脉冲信号，不同的是前者由喇叭天线发射的脉冲信号是经过调制的，是非接触式的雷达液位计；后一种液位计发射的是经线性调制的连续调频波，是通过测量频率差来计算液位高度的，调频范围越大，测得距离越远，线性度越好，分辨率越高。脉冲雷达液位计和FMCW雷达液位计都属于非接触式液位计，优势在于可在具有腐蚀性的测量环境中使用，但是两者都采用喇叭式天线发射信号，信号传输受到喇叭口的影响，测较远距离时，信号会在容器壁内多次反射，对真实回波信号的检测造成干扰。在测量介电常数较小的液面时，其反射回波信号幅度较小，会难以识别，对测试结果造成影响。

目前高炉探尺只掌握在少数几家国外品牌手中（西门子、罗斯蒙特等），国内很少有厂家涉足此细分市场，高炉探尺附加值高，容易提高厂家在该行业的地位。

图1 雷达液位计的结构图Fig.1 Structure diagram of radar level meter

本文主要是通过改进雷达液位计的工艺结构与增加外附降温设备来提高雷达的耐温能力，并应用到高炉工况中。其中主要是雷达的天线部分，正常未PTFE，耐温200℃以内。通过改变天线材质，增加耐高温性；外部增加氮气吹扫系统阻隔瞬时温度对于仪表的影响；再增加高温阀门，使仪表易于维护。

1 雷达探尺的结构与特点

1.1 雷达液位计的原理、结构及特点

雷达液位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比，关系式如下：

式中：

D——雷达液位计到液面的距离。

C——光速。

T——电磁波运行时间。

雷达液位计记录脉冲波经历的时间，而电磁波的传输速度为常数，则可算出液面到雷达天线的距离，从而知道液面的液位[1]。

传统雷达液位计不带任何降温设备，耐温性差，不能满足复杂工况的应用，其结构如图1所示。

1.2 雷达探尺结构及特点

与普通的物位计相比，本发明能够应用在1400℃以内的高温高粉尘的环境中，它由三级吹扫系统组成：1）雷达探尺第一级吹扫系统，在喇叭口内形成旋风，控制仪表工作在正常温度下，不易损坏使用寿命长；2）导波管中加入了吹扫系统，两路气源作用在喇叭口外壁上，立管内形成旋风，防止立管侧壁结渣，降低前面变送器与第一级系统温度；3）在闸板阀中加入了吹扫系统，在长时间应用时，闸板阀不易堵塞，降低第一级与第二级变送器与结构部件的温度，便于仪表维护与更换；4）采用三级氮气吹扫系统利于降低仪表温度，结构简单，易于维护与更换、更换不影响生产，实用性强、智能化程度较高。其结构示意图如图2～图6所示。

图2 雷达探尺的结构Fig.2 Structure of radar probe ruler

图3 两根吹扫气路管设置示意图Fig.3 A schematic diagram of two blowpipe settings

图4 吹扫喇叭气路管设置示意图Fig.4 Schematic diagram of blowing horn air tube setup

图5 闸板阀气路管设置示意图[2]Fig.5 Schematic diagram of airpipe arrangement for thyristor valve[2]

图6 吹扫连接片气路管设置示意图Fig.6 Schematic diagram of blow-up connection sheet gas pipe setup

2 雷达探尺技术实现的方案

鉴于现有技术的不足，本文提供一种雷达高温探尺是一种可同时满足高温烧结、烧结扬灰、复杂罐体组合的特殊工况雷达物位计系统。

2.1 技术方案

一种雷达高温探尺，包括雷达变送器（4）、连接有气缸（3-1-3）的闸板阀（3-1），其特征在于：所述雷达高温探尺由三级吹扫系统构成，一级吹扫系统（1）包括：带有法兰（1-1-1）的吹扫适配器（1-1）、吹扫连接片（1-2）、吹扫喇叭（1-3）、四氟发射极（1-4）；二级吹扫系统（2）包括：带有法兰（2-2）的立管（2-1）；三级吹扫系统（3）包括：闸板阀（3-1）、保护套（3-2）。

所述吹扫适配器（1-1）上设有一个中孔I（1-1-2）、两个吹扫气路孔（1-1-3）；两个吹扫气路孔（1-1-3）进口各自连接一个NPT接头（5）。

所述吹扫连接片（1-2）上设有一个中孔II（1-2-1）、两个吹扫孔I（1-2-2）。

所述吹扫喇叭（1-3）上端法兰面上设有一圈凹槽（1-3-1），在凹槽（1-3-1）内设有两个盲孔（1-3-2）和一个沿伸到喇叭内的锥形吹扫孔（1-3-3），两个盲孔（1-3-2）各自连通一个吹扫孔II（1-3-4），两个吹扫孔II（1-3-4）水平设置在法兰中与锥形吹扫孔（1-3-3）相通，两个吹扫孔II（1-3-4）的孔口相对并错位设置，两个孔心不在一个水平线上。

所述立管（2-1）上设有两个进气孔I（2-1-1），两个进气孔I（2-1-1）相对并错位设置，两个孔心不在一个水平线上。

所述闸板阀（3-1）上盖板（3-1-1）上设有进气孔II（3-1-11），下盖板（3-1-2）上设有吹扫孔IV（3-1-21）。

所述吹扫适配器（1-1）的一端与雷达变送器（4）螺接在一起，吹扫适配器（1-1）的另一端通过吹扫连接片（1-2）与吹扫喇叭（1-3）连接，所述立管（2-1）的一端套入吹扫喇叭（1-3），通过法兰（2-2）与吹扫适配器（1-1）上的法兰（1-1-1）连接，立管（2-1）的另一端与闸板阀（3-1）上盖板（3-1-1）焊接在一起，所述闸板阀（3-1）下盖板（3-1-2）与保护套（3-2）焊接在一起，两端为锥形的所述四氟发射极（1-4），一端设置在吹扫适配器（1-1）的中孔I（1-1-2）中，另一端穿过吹扫连接片（1-2）中孔II（1-2-1）设置在吹扫喇叭（1-3）的锥形吹扫孔（1-3-3）中。

2.2 雷达高温探尺三级吹扫系统的实现方法

第一级吹扫系统：将氮气通过两个NPT接头（5）引入吹扫适配器（1-1）的两个吹扫气路孔（1-1-3）中并依次通过吹扫连接片（1-2）上的两个吹扫孔I（1-2-2）、吹扫喇叭（1-3）的两个吹扫孔II（1-3-4）的孔口进入到吹扫喇叭（1-3）的锥形吹扫孔（1-3-3）内，由于吹扫喇叭（1-3）的两个吹扫孔II（1-3-4）的孔口相对并错位设置，氮气气流在吹扫喇叭（1-3）内形成了旋风，降低雷达变送器的温度。

第二级吹扫系统：将氮气引入两个相对并错位设置的立管（2-1）两个进气孔I（2-1-1）进入立管（2-1），两股错位引入的气流打到吹扫喇叭（1-3）外壁处，在立管（2-1）内形成旋风，降低雷达变送器与第一级吹扫系统的温度。

第三级吹扫系统：将氮气引入闸板阀（3-1）上盖板（3-1-1）进气孔II（3-1-11）中，通过下盖板（3-1-2）吹扫孔IV（3-1-21）形成平面吹扫，降低雷达变送器（4）与一、二级吹扫到系统的温度；从而降低温度对雷达变送器（4）的影响，使雷达变送器（4）在高温环境中正常工作。

3 结论

雷达探尺是用于炼铁生产中测量高炉炉内料位的专用设备。超强粉尘穿透能力，数据无延时。炉内测量精度可达10cm，雷达探尺基于使用雷达微波测量的方法，通过完善吹扫、冷却、导波等技术，精确导出料面的实时位置数据。实现真正免人工维护，无需备件。冷气封型微波雷达物位测量系统安装于高炉预存室的顶部，是专门用于高温环境中非接触连续测量固体颗粒介质位置的设备。其基于使用微波雷达测量料面的方法，通过导波、吹扫、冷却等保护技术处理，实现连续测定预存室内部赤热焦炭料位的功能，成为特种环境中理想的连续测量的工具[3]。