雷達物位計在高爐上的應用

一、序言

高爐上的物位量是鋼鐵行業(yè)中一個(gè)非常重要的測量數據，它對于鋼鐵生產(chǎn)的質(zhì)量控制、提高生產(chǎn)效率和提高生產(chǎn)安全性起著(zhù)非常重要的作用。高爐上的的物位測量點(diǎn)包括兩種介質(zhì)的測量：爐頂礦料的物位測量和魚(yú)雷罐車(chē)的鐵水的液位測量。

但是，由于這些工況的過(guò)程溫度都非常的高（一般都超過(guò)300℃），高爐上的物位測量一直是個(gè)難題。長(cháng)期以來(lái)，各大鋼鐵制造廠(chǎng)商一直致力于尋找一種使用壽命長(cháng)、性能可靠、維護量低、測量精確度高的經(jīng)濟性的解決方案。

2002年，Siemens推出了Sitrans LR400型雷達物位計，之后這款在固體測量領(lǐng)域表現出優(yōu)異的性能的雷達物位計不斷贏(yíng)得客戶(hù)的青睞，市場(chǎng)份額迅速增長(cháng)。經(jīng)過(guò)近幾年的不斷鉆研，Siemens公司率先將LR400應用在高爐的物位測量領(lǐng)域，積累了大量寶貴的經(jīng)驗，并贏(yíng)得了客戶(hù)的信任。

二、測量原理和產(chǎn)品介紹

Sitrans LR400型雷達物位計是第一款專(zhuān)門(mén)針對粉狀固體的測量特點(diǎn)而研發(fā)的非接觸式雷達物位計。因此這款產(chǎn)品一經(jīng)推出后，其優(yōu)異的固體測量性能為其贏(yíng)得了大量的訂單，尤其是在水泥、面粉等存在大量粉塵影響的工業(yè)中，表現出色，已經(jīng)成為很多客戶(hù)的首選產(chǎn)品。

2005年2月，Siemens公司為了進(jìn)一步擴大LR400雷達物位計在固體物位測量市場(chǎng)上的領(lǐng)先優(yōu)勢，推出了專(zhuān)用用于固體測量的雷達物位計固體型LR400。

LR400之所以能夠在固體測量領(lǐng)域取的如此優(yōu)異的業(yè)績(jì)，這是因為：

1、 它使用24GHz高頻微波作為測量信號。根據波的特性：速度=波長(cháng)*頻率，我們可以得知24GHz高頻的微波的波長(cháng)較其他頻段的雷達波的波長(cháng)要短的多。一般的講，固體料面的形狀是傾斜而且粗糙的，較小的波長(cháng)可以最大程度上保證發(fā)射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面最大程度地被反射回雷達探頭。

2、 采用FMCW（連續調頻）的工作原理（見(jiàn)圖）。FMCW的基本測量原理是：探頭同時(shí)進(jìn)行雷達波的發(fā)射和接受，類(lèi)似通訊中的"全雙工"；LR400采用了鋸齒型的微波，發(fā)射波和經(jīng)固體表面發(fā)射后形成的回波之間產(chǎn)生一個(gè)相位差，這個(gè)相位差通過(guò)一個(gè)快速傅立頁(yè)的轉換后，形成一個(gè)頻譜，而這個(gè)頻譜與雷達物位計測量的距離呈一個(gè)線(xiàn)性的關(guān)系。因此，通過(guò)對鋸齒波的相位的檢測即可得到一個(gè)高精度的物位信號。由于采用了FMCW的測量原理，使雷達波能夠源源不斷的"射"向測量介質(zhì)，使其抗干擾能力加強，"失波"的可能性降到最低，從而提高了它的可靠性。

3、 它采用了四線(xiàn)制的設計。四線(xiàn)制的設計保證了儀表有足夠的功率來(lái)發(fā)射足夠強的能量來(lái)滿(mǎn)足惡劣的測量條件：LR400能夠測量介電常數低至1.5的介質(zhì)（自然界絕大部分的介質(zhì)的介電常數大于1.5）；量程最大可至50米。

4、 由于使用高頻的信號，使其發(fā)射的角度可以做到最小8度角，使LR400能夠最大程度上避開(kāi)固定干擾的影響。

另外，最新推出的固體型LR400雷達在以前的基礎上，作了很多大的改進(jìn)，使其能夠更好的滿(mǎn)足固體測量的需求。

1、 新了瞄準器的設計，并將瞄準器作為新的固體型雷達的標準配置，而不加任何費用。瞄準器可以保證LR400即使用于介質(zhì)表面傾斜角度較大的工況，介電常數較低的化學(xué)品粉末也能得到較強的信號。

2、 提供了2"、3"、4"三種不同尺寸的喇叭天線(xiàn)的選擇，能夠更好地滿(mǎn)足不同的現場(chǎng)的要求。

3、 改進(jìn)了LR400的固體算法，使它能夠專(zhuān)門(mén)適用于各種復雜的固體測量工況。

4、 由于采用了新的算法，使其導波性能得到很大的提高，因此增加了延長(cháng)管（最長(cháng)至592mm的天線(xiàn)設計）的選項，使其能夠滿(mǎn)足一些安裝立管較長(cháng)、倉頂過(guò)厚的安裝條件的工況。

5、 另外，設計了新的PTFE的平面防塵窗口，使它即使是在粉塵揚氣非常大的工況中也能非常的穩定的工作。

三、方案介紹

如圖，在高爐的工況中，通常主要有三個(gè)測量要求物位測量：

高爐料面測量；
高爐布料倉料位測量；
魚(yú)雷罐鐵水液面測量。

1、高爐料面測量。需要使用物位計測量準備添加到高爐內的礦料，料位的控制需要保證料位維持在一定的高度，高爐料倉的高度不可為空，否則無(wú)法保證布料倉的礦料得到及時(shí)供應；也不可使料倉料位過(guò)滿(mǎn)，導致溢出。一般這一測量點(diǎn)需要的測量范圍最大約在5~6米左右。

2、高爐布料倉的礦渣的料位測量的主要的困難之處在于：倉頂頂部的溫度非常高，一般超過(guò)600℃；倉頂的頂部厚度較大，一般約在1米~1.5米左右。

如左圖的物位計安裝位置的出口溫度一般超過(guò)600℃。如果不加任何處理將LR400用于這一工況測量，由于LR400的標準型的測量過(guò)程溫度為200℃，高溫型的過(guò)程溫度為250℃，但是也不能滿(mǎn)足這個(gè)測量點(diǎn)的要求。如右圖，在試用了LR400后發(fā)現，該表的發(fā)射電極遭到損壞。

最后，經(jīng)過(guò)反復的研究以后發(fā)現，高溫主要有倉內的高溫介質(zhì)的輻射熱造成；因此利用LR400的導波特性，決定設計制作導波彎管來(lái)避開(kāi)倉頂安裝出口處的高溫氣體；另外，為了降低傳導熱的影響，整個(gè)導波管的長(cháng)度超過(guò)2米，使管內高溫氣體能夠得到足夠的降溫管段。安裝了如圖的導波彎管后，發(fā)現安裝法蘭口的溫度小于100℃。

安裝了LR400后，經(jīng)過(guò)2~3星期的現場(chǎng)測量后，物位測量結果基本準確。

另外，值得一提的是，現場(chǎng)的工況比較惡劣，常用礦石掉落在現場(chǎng)，由于LR400的標準配置是堅實(shí)的鋁外殼設計，因此即使如此惡劣的現場(chǎng)工況，LR400也不會(huì )存在任何問(wèn)題。

3、對魚(yú)雷罐鐵水的測量。鐵水的溫度高達1000℃以上。但是由于測量的介質(zhì)是液體，因此主要需要解決的問(wèn)題是如何解決高溫的問(wèn)題。

在這一測量點(diǎn)上，我們應用Siemens雷達物位計嘗試了三種不同的方法來(lái)解決高溫的問(wèn)題，均取得良好的效果。

A、在加長(cháng)的安裝立管上安裝壓縮空氣通道，注入壓縮空氣以降低雷達液位計的喇叭天線(xiàn)口的過(guò)程溫度。

B、采用導波彎管的設計，避開(kāi)由于輻射引起的超高溫。

C、由于LR400的具有目前世界上最小的發(fā)射角度（8°），因此，可以如上圖的安裝方式，使LR400的喇叭天線(xiàn)與安裝口保持一定的距離，以降低過(guò)程中的超高溫。

四、結束語(yǔ)

在國內，因為高爐的料位測量比較特殊，所以一直沒(méi)有一個(gè)理想的解決方案。曾經(jīng)采用過(guò)的測量方案有：α射線(xiàn)物位計、激光物位計、投標尺等測量方式。

通過(guò)下表的比較，可以看出，雷達物位計在高爐上的應用的可以充分固體型雷達的特點(diǎn)，性?xún)r(jià)比是非常高的，而且通過(guò)多年的研究和試驗，LR400在這一領(lǐng)域的應用已經(jīng)處于領(lǐng)先的地位，為高爐的物位測量應用提供了一個(gè)客戶(hù)可以接受的較為理想的解決方案。

	LR400雷達物位計	α射線(xiàn)物位計	激光物位計	投標尺
測量方式	非接觸式，連續	非接觸式， 連續	非接觸式，連續	接觸式， 非連續
精確度	高	差	高	一般， 存在人為誤差
降溫的方式	加壓縮空氣、 隔離、導波彎管	罐外安裝， 無(wú)需降溫	裝隔熱玻璃窗	無(wú)
高溫的影響	無(wú)	無(wú)	無(wú)	無(wú)
對人的危害性	無(wú)	極大	無(wú)	無(wú)
安裝要求	簡(jiǎn)單	難度大	對安裝要求高	簡(jiǎn)單
通訊信號	4~20mA，Profibus可選	4~20mA	4~20mA	無(wú)
維護量	基本免維護	低	高	高
最大量程	50m， 量程可調	量程可通過(guò)加裝測量桿實(shí)現，但費用高	大	不超過(guò)30米
對現場(chǎng)的適應能力	鋁外殼， 堅實(shí)， 現場(chǎng)適用性強	一般	精密儀表， 適用性差	適應性強，堅實(shí)
使用壽命	長(cháng)，一般按10年計	長(cháng)，α射線(xiàn)源有衰減	短，一般約2~3年	一般
價(jià)格	一般	貴	極貴	較低