摘要：高爐爐頂料罐料位測量是高爐自動上料系統(tǒng)中十分重要的檢測參數(shù)，料位計工作的穩(wěn)定性，直接關(guān)系著爐頂設(shè)備能否可靠動作。本文介紹了雷達料位計的工作方式，測量原理、組成，特點及常見故障的處理方法，以及雷達料位計在龍鋼煉鐵廠的高爐爐頂料罐料位測量控制的應(yīng)用情況和所取得的效果。

關(guān)鍵詞：雷達料位計 料罐 料位測量 應(yīng)用

前言：隨著高爐裝備水平和自動化水平的不斷提升，在高爐連續(xù)生產(chǎn)過程中，高爐爐頂料罐料位檢測對于爐頂設(shè)備可靠動作，保證高爐爐況順行，提高生產(chǎn)效率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前爐頂料罐料位檢測常規(guī)采用核子料位計，雖其工作穩(wěn)定，料位計使用CS137放射源，輻射產(chǎn)生的r射線如若防護不當會對人體有一定的傷害，料位計輸出信號為開關(guān)量信號，有一定的局限性。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展，從軍工發(fā)展而來的非接觸測量雷達料位計，它以不受被測量介質(zhì)的形狀大小影響，連續(xù)輸出測量物位信號等顯著優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。

一、雷達儀表發(fā)展簡介

RADAR譯音雷達，是RadioDetectionAndRange第一個字母縮寫而成。1865麥克斯偉發(fā)現(xiàn)電磁波，1922年前一直從事理論研究，直至1922年美國研制作了第一臺雷達，1935年用于飛機定位，1939年雷達用于軍事通信；1960年民用雷達用于公路汽車流速監(jiān)視，1976年第一臺雷達料位計問世。研究實驗12年后，1989年按IEC工業(yè)標準，研制了非接觸式一體化的雷達料位計。在我國使2000年后迅速發(fā)展。

雷達屬于無線電設(shè)備，受國際無線電協(xié)會管理，規(guī)定了工業(yè)雷達工作頻段如下：

C波段：4-8GHZX波段：8-12GHZJ波段：12-18GHZ

K波段：18-26.5GHZQ波段：26.5-40GHZV波段：40-60.8GHZ

O波段:60-120GHZ

目前市面上雷達工作頻率主要分為:5.8GHZ、9.8-11GHZ、24GHZ三個頻段。

雷達工作波形：正弦連續(xù)波、鋸齒連續(xù)波、脈沖波。

二、雷達料位計概述

雷達料位計（RADAELevelMeter）是非接觸測量儀，它是電磁波傳輸，它的傳輸頻率高于2GHZ以上，而波長λ小于15cm的電磁波通常稱微波，因而雷達料位計又稱微波料位計。

微波范圍從1-120GHZ，分為7個頻段；國際上公認的工業(yè)、科學和醫(yī)用頻段，習慣稱ISM頻段。

雷達料位計的中心頻率為2.45GHZ、5.8GHZ、10GHZ和24GHZ為中心頻率。雷達料位計的傳輸速度為光速，光速符號為C（ms?¹），即C=10?ms?¹直線傳播，當微波發(fā)射到固體和液體表面時產(chǎn)生反射，經(jīng)過時間延時后，天線（發(fā)射和接收共用）接收到反射波后，經(jīng)過設(shè)備中的微處理器將發(fā)射頻率和接收頻計算出頻率差△F（或者計算延時時間t），算出距離，而料位就是料罐高度減去距離的差值。

雷達料位計有兩種工作模式：

脈沖波（Pulse）方式：脈沖式雷達料位計測量精度比連續(xù)波雷達測量精度差。

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）方式：測量線路較復雜，精確度較高可達0.1%FS，干擾回波也較易去除。由于微波是電磁波，以光速傳播且不受介質(zhì)特性影響，克服超聲波測量儀的缺點，較適合礦石、焦炭等料位的測量。

三、雷達料位計與超聲波料位計和同位素料位計比較

雷達料位計是隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展，從軍用發(fā)展為工業(yè)用的非接觸測量儀。它可以連續(xù)測量物位信號，提供可靠的控制信號，它突出優(yōu)點如下：

1、雷達料位計是頻率調(diào)制的高頻電磁波（2GHZ以上），傳播速度為300000000m/s，是光速，它不通過介質(zhì)傳播；他不受介質(zhì)密度、導電率的影響，而超聲波傳播速度為344m/s，為聲速，依靠空氣介質(zhì)傳播，它對空氣中潮濕度和粉塵量有影響。

2、雷達料位計不受被測量介質(zhì)的形狀大小影響，超聲波受測量介質(zhì)密度變化影響。

3、雷達料位計不受被測量介質(zhì)的壓力影響。超聲波靠空氣傳播，壓力對它有影響

4、雷達料位計不受測量介質(zhì)的粉末多少影響，而超聲波在多粉塵環(huán)境中傳播會削弱。

5、雷達料位計可以穿過泡沫測量真實液位，超聲波受泡沫影響凡有泡沐存在的地方，超聲波測量液位易出現(xiàn)假液位。

6、工業(yè)用雷達料位計，發(fā)射功率小，對人體無任何傷害，對環(huán)境無污染；而同位素料位計一般結(jié)構(gòu)為：

圖1

放射源，和探測裝置構(gòu)成同位素料位計。高爐上多數(shù)使用CS137放射源，強度在1000毫居里以上，半衰期（30年）不能使用了，要指定地點長期保存，而且對環(huán)境有污染，輻射能量大，產(chǎn)生的r射線對人體有一定的傷害。

四、雷達料位計組成、原理及特點

高爐雷達料位計可以長期嵌入高溫、高灰塵料罐內(nèi)安全可靠工作,實時檢測高爐爐料罐料位的變化,是高爐上料以及中心控制室控制調(diào)節(jié)爐況操作必不可少的專用設(shè)備.雷達料位計采用FMCW雷達方式(FFT解析),連續(xù)非接觸測量高爐料罐爐料位的變化。

4.1、雷達料位計測量原理

雷達料位計主機采用的是高頻信號，是連續(xù)調(diào)頻波工作。在測量期間，雷達線性掃頻，經(jīng)過微波管和圓錐型喇叭天線發(fā)射，發(fā)射微波到被測量物質(zhì)（固體或者液體）表面后反射，經(jīng)過時間延時，反射微波被錐型喇叭天線接收（發(fā)射和接收天線共用）后，微波信號經(jīng)微處理器自動計算實際發(fā)射頻率與反射頻率之間的頻率差值ΔF，ΔF與距離成正比，差值越大，距離越大，反之亦然。ΔF頻率差通過傅立葉變換成頻譜，從頻譜中算出距離，而爐頂料罐料位高度是高爐料罐與距離之差的計算值。

原理圖2如下：

圖2

4.2、發(fā)射角與發(fā)射率的關(guān)系

（1）發(fā)射角小，發(fā)射微波效率高，但是從接受多個角度的發(fā)射波是極其不利的，這個只能用于特別要求的場合。

（2）喇叭口徑越大，可以接收多個角度的反射波。與發(fā)射率成正比的關(guān)系。

（3）發(fā)射角沒有特別要求的情況下，對厘米波頻率的雷達發(fā)射角在控制8-10º，喇叭口徑為Ф250-400左右，對提高反射率，特別測量低反射系數(shù)的礦石、焦碳，可以長期穩(wěn)定測量料位值，起重要保證。

（4）頻率高，喇叭天線尺寸可以小一點，但是頻率越高，折射干擾越多。

4.3、雷達料位計的組成

高爐爐頂雷達料位計由雷達主機：由電子轉(zhuǎn)換器、微波法蘭窗口、微波管、氣體吹掃系統(tǒng)、錐型喇叭天線等組成。高爐爐頂雷達料位計安裝示意圖3如下所示：

圖3

（1）雷達料位計組裝圖4如下：

圖4

（2）吹掃管路連接示意圖5：

圖5

（1）用1/4變3/4變徑接頭,連接到組裝圖“9”焊接的1/4內(nèi)絲內(nèi)。

（2）3/4變3/8變徑接頭,連接到組裝圖“11”焊接的3/8內(nèi)絲內(nèi)。

4.4、電氣圖連接

（1）雷達料位供電和信號輸出,從中心控制室敷設(shè)1根阻燃3×2.5mm²電源電纜和1根2×1.5mm²屏蔽電纜到雷達接線盒。

（2）雷達電氣接線盒，如下圖6所示：

圖6

（3）電源電纜和信號屏蔽電纜通過防水電纜接頭分別接入供電端子和雷達輸出信號端子，傳輸?shù)街行目刂剖遥≒LC），必須經(jīng)過信號隔離器濾出干擾，接入PLC。

4.5、雷達料位計的技術(shù)性能

（1）應(yīng)用范圍：非接觸測量料罐料位；

（2）工作方式：FMCW雷達，連續(xù)高頻調(diào)頻信號，工作X頻率段，工作頻率8.8~9.8Ghz,調(diào)頻幅度1GHZ；

（3）測量范圍：0-50米；

（4）輸出：HART協(xié)議，4-20mA電流輸出，負載阻抗≤250Ω

電子轉(zhuǎn)換器防護等級：IP67；

（5）天線：圓錐型喇叭天線，發(fā)射角度：8-10º；材質(zhì)：316L。

（6）防爆型：PTB99ATX2061EEX-deIICT6—T1；

（7）天線工作溫度：-30℃~1000℃；

（8）連接法蘭：DN250-DN400；

（9）工作最高壓力：6.4MPa；

（10）供電電源：200~240VAC，常規(guī)供電220VAC±15%；

（11）測量精度：分辨率±1mm,測量精度±0.5%FS；

（12）氣體吹掃系統(tǒng)：消耗氮氣40m³/h，氮氣壓力0.3MPa以上。確保RY系列雷達主機可靠運行。

4.6、雷達料位計的特點

（1）使用高增益天線。高增益天線抗干擾能力強，縮小盲區(qū)（死區(qū)）有效補償傳輸過程中微波損失，可靠測量低介質(zhì)礦石、焦碳、石灰石爐料位，有掛料時，對測量精度不受影響。

（2）在微波管上開孔加壓0.3-0.7MPa，能使微波傳輸通道內(nèi)長期維持正壓，在高爐放散和料罐裝料時，爐內(nèi)灰塵也不會吹入微波管。

（3）微波傳輸通道設(shè)計隔熱法蘭，減小熱傳導，能防止就地LCD顯示屏和電子電路超溫損害。

（4）爐料位連續(xù)測量不受爐內(nèi)壓力、溫度變化及爐料形狀大小的影響。

（5）在微波管通道內(nèi)，設(shè)置高溫高壓隔離器，有防堵塞,隔熱防熱輻射，確保設(shè)備長期安全可靠工作。能有效防止高爐有害氣體進入電子盒內(nèi)而造成的印刷電路板腐蝕；同時在線檢修時，能保護人身安全。雷達設(shè)備工作在正壓工作狀態(tài)，灰塵不會吹到微波管內(nèi)。

（6）發(fā)射模塊和接收模塊嵌入微波管內(nèi)，吹掃發(fā)射模塊的氣體進入高爐，能使發(fā)射模塊不易受灰塵污染，提高測量的穩(wěn)定性和可靠性。

（7）雷達主機工作X波段，波長3.1cm，非接觸測量，具有高性能目標分辨率。該波段發(fā)射的電磁波，遇到料面后，發(fā)射高，與24GHZ高頻雷達相比較，無折射干擾，是理想固體料位計。

（8）阻抗變換器裝在微波管內(nèi)，不容易受外來灰塵影響，免維護。

圖7

五、雷達料位計維護及常見故障處理

5.1、雷達料位計的日常維護

（1）雷達在正常投運過程中，氮氣不能中斷。

（2）每次檢修恢復投產(chǎn)后，必須打開氮氣截止閥，讓氮氣吹掃雷達系統(tǒng)。

（3）定期（一般每3個月）對雷達系統(tǒng)進行清理，如喇叭天線、導波管、下聚四氟乙烯模塊除塵處理，處理時注意不要損壞聚四氟乙烯模塊和顛倒原有安裝位置，特別小心注意儀表設(shè)備上面的專用小配件不要丟失，清理之后要按原樣安裝。

5.2、雷達料位計常見故障處理

（1）電流信號停留在一個較小的固定值時，第一步檢查氮氣吹掃是否正常，請接通氮氣吹掃，檢查電流信號是否正確，若不正確請進行下一步；第二步是料位太高或者天線有沉積，縮小料位或者清理天線，檢查電流信號是否正確。

（2）使用RS232通訊接口和軟件連接調(diào)看數(shù)據(jù)和記錄，軟件安裝在電腦上，在電流信號一端串入250歐姆左右電阻，用RS232接口接在電阻兩端和電腦相應(yīng)通訊接口連接，可以對雷達料位計進行重新標定、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置、去除雜波干擾等操作。

六、結(jié)束語

雷達料位計于2009年6月用于龍鋼煉鐵廠新區(qū)1、2#高爐爐頂料罐料位檢測，經(jīng)過兩年多的實踐證明，雷達料位計完全滿足現(xiàn)場工況條件，長期穩(wěn)定性好，抗干擾性強，測量信號準確可靠，信號輸出穩(wěn)定靈敏。其輸出信號接入高爐爐頂PLC自控系統(tǒng)，經(jīng)過邏輯判斷，用于爐頂設(shè)備自動時序控制，控制準確可靠，為高爐穩(wěn)產(chǎn)順行創(chuàng)造了良好條件，效果果十分顯著。

參考文獻

1、《BM70A雷達物位計——微波非接觸式物位測量儀表操作手冊》

科隆測量儀器（上海）有限公司