西門子導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)在鋼鐵廠中的應(yīng)用
劉永國
首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司, 河北省唐山市
摘要：
本文主要介紹了作為當(dāng)今物位測量技術(shù)之一的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的應(yīng)用原理、與其他幾種物位測量技術(shù)的比較，以及西門子公司儀表部所推出的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)LG200系列產(chǎn)品在實(shí)際現(xiàn)場中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：
物位測量；鋼鐵；導(dǎo)波雷達(dá)
SIEMENS LG200 application in Steel Plant
Abstract:This paper introduces the Guide Wave Radar s’ principle, one of the modern level measurement method, and compare with the other technology, and introduce the LG200’s application.
Key words:Level measurement; Steel; Guide Wave Radar
1. 概述
在科技日新月異的今天，物位測量技術(shù)已經(jīng)從最初的重錘、投尺等傳統(tǒng)的機(jī)械式測量方式(圖1)發(fā)展為包含雷達(dá)、核輻射等高技術(shù)含量的測量技術(shù)，覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)中的絕大多數(shù)物位測量需求，核輻射技術(shù)因?yàn)槠涮厥庑?，?yīng)用范圍有其局限性，在此不作贅述，而原先由軍用雷達(dá)發(fā)展而來的雷達(dá)物位測量技術(shù)正日益成為物位測量的主流趨勢。
圖1 傳統(tǒng)人工測量方式
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2. 雷達(dá)技術(shù)比較及導(dǎo)波雷達(dá)的原理
顧名思義，微波雷達(dá)物位計(jì)指通過空間發(fā)射、傳播和接收電磁微波的物位測量儀表(圖2)，導(dǎo)波雷達(dá)則是通過某一種形式的波導(dǎo)體來傳導(dǎo)、發(fā)射和接收電磁微波的、物位測量儀表。
微波雷達(dá)儀表測量物位具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、不與介質(zhì)接觸；
2、高頻電磁波信號易于長距離傳送，可測大量程；
3、不受空間氣相條件變化的影響
圖2 非接觸式微波雷達(dá) |
微波雷達(dá)通過發(fā)射和接收高頻(GHz)級電磁波，計(jì)算電磁波達(dá)到物位表面并反射回到接收天線的時(shí)間來進(jìn)行物位測量，而電磁能量的傳送不易受到傳播空間性質(zhì)的局限性，它可以在高/低壓(真空)或具有汽化介質(zhì)的條件下傳播，并且氣體的波動亦不影響電磁波的傳播。
普通微波雷達(dá)物位測量儀表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號，當(dāng)這種信號在空氣中傳播時(shí)，能量衰減較快，當(dāng)微波信號到達(dá)物位表面并反射時(shí)，信號強(qiáng)度也就是振幅，與介質(zhì)的介電常數(shù)有直接關(guān)系，介電常數(shù)非常低的非導(dǎo)電類介質(zhì)，如烴類液體，反射回來的信號非常弱，這種被削弱的信號在返回至安裝于罐頂部的接收天線的途中，能量又進(jìn)一步衰減，微波雷達(dá)物位計(jì)接收到的返回信號能量大致只有發(fā)出信號能量的1% !當(dāng)用于上述條件介質(zhì)，接觸式微波雷達(dá)物位儀表的性能指標(biāo)會有所降低甚至無法正常使用。
為了彌補(bǔ)接觸式雷達(dá)物位計(jì)的這些不足之處，導(dǎo)波雷達(dá)物位儀表應(yīng)運(yùn)而生，導(dǎo)波雷達(dá)的工作原理與前述雷達(dá)非常相似，GWR的基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS 等時(shí)采樣原理。多年來TDR一直被用于檢測發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內(nèi)埋設(shè)電纜的斷頭。
圖3 導(dǎo)波雷達(dá)測量原理圖 |
ETS等時(shí)采樣原理用于測量高速、低功率的電磁信號，是基于TDR 的液位測量技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。眾所周知，高速的電磁信號短距離的測量是很困難的，ETS實(shí)時(shí)捕捉電磁信號(UIS)，并且在等值的時(shí)間里重新構(gòu)造它們，以利于更好使用先進(jìn)的技術(shù)測量。
物位測量技術(shù)發(fā)展到今日，已出現(xiàn)許多種成熟可靠的物位測量儀表，以其不同的性能和特定的適用范圍在不同條件的液位測量中發(fā)揮著重要的作用：壓力/壓差測量液位法；射頻導(dǎo)納/電容液位計(jì)；超聲波液位計(jì)和浮筒液位計(jì)等都已在工業(yè)上有了數(shù)十年的成功使用經(jīng)驗(yàn)，但導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)以其具有明顯的使用優(yōu)點(diǎn)及性能更加引起大家的關(guān)注：
1) 能耗低。GWR輸出到波導(dǎo)探頭的信號能量小，約為非接觸式雷達(dá)發(fā)射能量的10%。這是因?yàn)椴▽?dǎo)體為信號至介質(zhì)表面?zhèn)鞑ヌ峁┮粭l快捷高效的通道，信號的衰減保持在最小程度。
圖4 西門子LG200導(dǎo)波雷達(dá) |
3) 范圍廣?；谏弦惶匦裕瑢τ诘徒殡姵?shù)的介質(zhì)導(dǎo)波雷達(dá)擁有令人滿意的表現(xiàn)，以西門子LG200產(chǎn)品(圖4)為例，其可測的最低介電常數(shù)竟為1.4!
4) 介電常數(shù)的變化對測量性能無影響。信號自烴類(介電常數(shù)2~3)液體表面或水(介電常數(shù)80)反射的時(shí)間一樣，不同的只是信號幅度的差別，微波雷達(dá)需考慮介質(zhì)進(jìn)而經(jīng)過篩選才可得到準(zhǔn)確測量值，假定接收信號強(qiáng)度改變，信號的篩選就會受到影響；導(dǎo)波雷達(dá)由于能量集中可避開諸多干擾則無此顧慮。
5) 密度的變化對測量無影響。介質(zhì)密度的變化影響浸沒于介質(zhì)中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導(dǎo)體中的傳播。
6) 介質(zhì)在探桿/纜上的掛料對物位測量的影響極小。掛料有兩種：膜狀和搭橋，膜狀掛料是在料位下降時(shí)，高黏度介質(zhì)在探頭上形成的一層覆蓋，這種掛料在探桿上分布均勻，因此對測量基本無影響；但搭橋掛料的形成卻能導(dǎo)致明顯的測量誤差，因此在選用雙桿/纜式導(dǎo)體時(shí)，需要謹(jǐn)慎小心，充分考慮到介質(zhì)的黏度!
3. 西門子導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)介紹及其應(yīng)用
西門子公司作為世界上知名的自動化電氣設(shè)備供應(yīng)廠商，在現(xiàn)場測量儀表領(lǐng)域也位居前列！尤其是在原加拿大妙聲力儀表公司于2000年并入西門子之后，西門子過程儀表更是在物位測量領(lǐng)域處于領(lǐng)先位置！
2007年，西門子公司秉承全集成自動化(TIA)的理念,隆重推出了全新的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)SITRANS LG200，它是一種用于液體和固體的中短量程物位，物位/界面和體積測量的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)。它不受過程條件改變，高溫和高壓，蒸汽的影響。具有：
1) 多達(dá)16種形式的測量探桿/纜；
2) 精度為2.5mm；
3) 低至1.4的介電常數(shù)
3) 高達(dá)427°C溫度和431Bar壓力；
4) 手動按鍵以及SIMATIC PDM兩種方式設(shè)置參數(shù).
該產(chǎn)品問市不久即在眾人矚目的首鋼京唐項(xiàng)目中一舉中標(biāo)！首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司由首鋼總公司聯(lián)合唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司共同發(fā)起，新廠址曹妃甸地處塘沽新港及秦皇島港之間，擁有渤海灣唯一的天然深水航道。曹妃甸水、電和交通等配套設(shè)施齊全，隨著2007年底首鋼北京地區(qū)鋼產(chǎn)量壓縮為400萬噸，曹妃甸新首鋼將建成投產(chǎn)。項(xiàng)目建設(shè)的主要規(guī)模為：原料場、球團(tuán)系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)、焦化系統(tǒng)、煉鐵/鋼系統(tǒng)、冷軋系統(tǒng)、熱軋
系統(tǒng)、供發(fā)電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等配套公輔設(shè)施，建設(shè)規(guī)模為980萬t/a。產(chǎn)品目標(biāo)是熱軋、冷軋、鍍鋅、冷軋硅鋼等高端板材產(chǎn)品，其中以高強(qiáng)度、超深沖的汽車板、高強(qiáng)度管線鋼和結(jié)構(gòu)鋼為產(chǎn)品標(biāo)志，主要滿足汽車、機(jī)電、家電、建筑及結(jié)構(gòu)、機(jī)械等行業(yè)對高質(zhì)量板材品種的需求。
 圖5 導(dǎo)波雷達(dá)在 首鋼京唐鋼廠現(xiàn)場 |
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