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雷達料位計在水泥廠的應用和選型

時間:2021-11-13
一.概述
物位是水泥工業生產過程中的主要測量參數之一。與其他行業不同,水泥工業主要是固體材料的物位測量,而液位測量很少。固體材料種類繁多,包括塊狀材料、顆粒狀材料和粉末材料。這些材料的介電常數、容重、溫度和含水量也不同。接觸式測量是過去測量物位的主要手段,如電容式、重錘式、音叉式、阻旋式等。由于儀表和材料在測量過程中是接觸的,在使用過程中經常會出現各種問題,如電容器的懸掛材料;重錘的斷錘和埋錘;音叉堵塞材料,日常維護量大。到20世紀90年代,水泥工業開始采用非接觸物位測量。早期成熟的非接觸測量技術包括超聲波技術和核輻射技術(γ射線)。由于放射源,核輻射技術的應用受到限制。
近年來,超聲波技術發展迅速,是一種應用廣泛的非接觸測量方法,尤其是液位測量。水泥廠超聲波物位測量已廣泛應用于原料配送倉庫、原煤倉庫、熟料倉庫等,但超聲波必須借助媒體傳播。例如,空氣通常用作水泥廠倉庫物位測量的傳播介質,空氣溫度、濕度和成分的變化會影響超聲波的傳播速度,空氣中的灰塵也會衰減超聲波的傳播信號;目前,超聲波物位測量僅用于測量塊狀或顆粒狀物料。對于粉末倉庫物位的測量,由于粉末倉庫物位表面下料時非常疏松,超聲波信號衰減強烈,目前還沒有測量粉末倉庫物位成功的先例。
20世紀90年代末,在過程檢測領域出現了高性能、低價格的微波物位計,即雷達物位計。所謂微波是電磁波,其頻率范圍為300MHz~300GHz,微波傳播速度為3x108m/s。如果頻率為5.8GHz,大氣中波長約為52mm,穿透力強,傳播速度不受粉塵、蒸汽和介質成分的影響,傳播衰減也很??;除了要求介電常數為1.8外,測量固體材料的溫度、壓力和密度幾乎不影響其準確測量;現有的雷達物位計在天線設計和形狀上保證了接收回波的能量;此外,現場調試也很簡單。通過軟件,可以快速找到正確的回波,并立即轉換為物位值。由于其性能優于超聲波料位計,近年來雷達料位計進入過程檢測儀器市場,廣泛應用于各行業。在水泥行業,雷達料位計幾乎占了物位測量的領域。據統計,近年來,新設計的大型水泥廠和研磨站近90%的倉庫和倉庫采用了各種類型的雷達料位計。天康PLUS54現場總線PA雷達料位計也成功應用于云南紅塔滇西水泥公司三條水泥生產線的八個水泥倉庫,與其他儀器形成了新的FCS系統。
二、雷達料位測量原理及主要技術因素。
雷達料位計采用回波測距原理。發射天線向被測目標發射微波,被測目標接收天線接收微波。信號處理器將發射信號與接收信號進行比較,計算被測距離,并計算相應的物位值。
微波脈沖來回傳播時間t由以下決定:
t=(1)
從a-天線到被測目標的距離。
c-微波傳播速度(光速)
由于微波在傳播途徑上有衰減和干擾反射,測量的關鍵是接收反射回波并識別有效回波?;夭芰縋k可以用簡化的雷達方程表示:
Pk=P=xcxGiGtGr/r4(2)
公式:P-天線輻射功率。
C-經驗系數由經驗決定。
Gi-由目標表面介電特性和面積決定的反射增益。
Gt,Gr-天線發射和接收效率。
r-天線與目標的距離。
從式(2)知道:接收的回波能量與天線的發射和接收效率以及天線的輻射功率有關,因此雷達料位計的天線設計和形狀至關重要。除了號角天線(喇叭口)和棒狀天線外,現有的天線還有平面天線和拋物面天線。為了介電常數小的材料,電纜被用作天線或安裝導波管。電纜和導波管一直延伸到倉庫或倉庫底部,從而傳遞和接收電磁波。
從式(2)還知道,接收的回波能量與物料表面的介電特性有關,介電常數高,反射率高,回波強度高;介電常數低,物料會吸收部分微波能量,回波強度低。被測物料的介電常數通常要求為:液體為1.8,固體為2.5,水泥廠固體為2.5,水泥介電常數為3。
在水泥廠,儲存在倉庫或倉庫中的各種固體材料都有材料的休息角?;夭ǚ瓷湟矔癯暡ㄒ粯勇瓷?,產生干擾回波和假回波。干擾回波和假回波可以通過軟件排除,但有效回波強度會大大降低。因此,在設計和選擇類型時,應考慮衰減,并在選擇范圍內留有一定的余量。
選擇三雷達料位計。
1.脈沖型和調頻連續波雷達。
用于測量物位的雷達料位計通常分為脈沖雷達和調頻連續波雷達兩類。脈沖雷達主要用于過程監測場合。由于其頻率低(6.3GHz),在天線結構設計中充分考慮了冷凝和積料的影響,超聲波料位計中的回波信號也可以用來處理,有效回波可以在攪拌機等復雜條件下識別,價格相對便宜。由于發射功率大、量程大、價格大、可靠性高,調頻連續波雷達價格大幅下降。
2.顆粒狀物料的選擇。
水泥廠的原材料多為顆粒狀材料,少數為塊狀材料,如石灰石、原煤、頁巖等。半成品熟料也是顆粒狀材料,存放在倉庫或倉庫中,有材料的休息角,但也有反射介質。根據進料和卸料形成的材料安息角和表面條件,在確定有效范圍后,建議使用帶棒形或角形天線的非接觸雷達料位計。如果采用接觸雷達料位計,會對纜繩產生較大的下拉力,造成事故。根據水泥廠的信息反饋,號角形天線的料位計回波更強,度更高(±0.2~±1%F.S)。
3.粉末材料的選擇。
水泥廠和粉磨站一般有4~8個水泥庫,水泥廠也有原料均化庫和粉煤灰庫,這些材料都是粉末,很難測量其料位。庫中的粉末表面非常松散,微波反射非常困難。因此,建議使用接觸式雷達料位計或帶有號角天線的大法蘭非接觸式雷達料位計。事實上,電纜是作為天線和導波管制成的。微波脈沖從探頭發出后沿電纜傳播。當脈沖遇到材料表面時,它會被反射回來,其范圍可達35m,被測材料的介電常數低于1.6。此外,電纜的耐磨性和耐受性目前,許多水泥廠使用電纜雷達料位計測量水泥庫和粉煤灰庫的料位,取得了良好的效果,如海螺迪港、浙江三獅、陜西耀縣、甘肅祁連山等水泥廠。
4.二線制
目前使用的雷達料位計多為一體化產品,由二線系統供電,可直接控制系統模塊,輸出4~20ma模擬信號,節省大量電纜;同時還提供HART數字信號和各種協議的現場總線數字通信功能,與計算機監控系統連接非常方便,可在現場調試;控制室也可以使用PC進行調試。例如,FCS系統也可以在操作員站進行調試。
四.結論
水泥廠物位測量是水泥生產線自動化系統的重要組成部分。雷達料位計的應用緩解了人們對水泥廠物位測量的疑慮?,F有雷達料位計可滿足水泥廠在品種、程度、標準材料、耐壓、耐高溫、防爆等方面的檢測控制要求。
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