西門子導波雷達物位計在鋼鐵廠中的應用
劉永國
首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司, 河北省唐山市
摘要：
本文主要介紹了作為當今物位測量技術之一的導波雷達物位計的應用原理、與其他幾種物位測量技術的比較，以及西門子公司儀表部所推出的導波雷達物位計LG200系列產品在實際現場中的應用。
關鍵詞：
物位測量；鋼鐵；導波雷達
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，物位測量技術已經從最初的重錘、投尺等傳統的機械式測量方式(圖1)發展為包含雷達、核輻射等高技術含量的測量技術，覆蓋了工業生產中的絕大多數物位測量需求，核輻射技術因為其特殊性，應用范圍有其局限性，在此不作贅述，而原先由軍用雷達發展而來的雷達物位測量技術正日益成為物位測量的主流趨勢。
圖1 傳統人工測量方式
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2. 雷達技術比較及導波雷達的原理
顧名思義，微波雷達物位計指通過空間發射、傳播和接收電磁微波的物位測量儀表(圖2)，導波雷達則是通過某一種形式的波導體來傳導、發射和接收電磁微波的、物位測量儀表。
微波雷達儀表測量物位具有以下優點：
1、不與介質接觸；
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 |
微波雷達通過發射和接收高頻(GHz)級電磁波，計算電磁波達到物位表面并反射回到接收天線的時間來進行物位測量，而電磁能量的傳送不易受到傳播空間性質的局限性，它可以在高/低壓(真空)或具有汽化介質的條件下傳播，并且氣體的波動亦不影響電磁波的傳播。
普通微波雷達物位測量儀表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號，當這種信號在空氣中傳播時，能量衰減較快，當微波信號到達物位表面并反射時，信號強度也就是振幅，與介質的介電常數有直接關系，介電常數非常低的非導電類介質，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，能量又進一步衰減，微波雷達物位計接收到的返回信號能量大致只有發出信號能量的1% !當用于上述條件介質，接觸式微波雷達物位儀表的性能指標會有所降低甚至無法正常使用。
為了彌補接觸式雷達物位計的這些不足之處，導波雷達物位儀表應運而生，導波雷達的工作原理與前述雷達非常相似，GWR的基礎是電磁波的時域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS 等時采樣原理。多年來TDR一直被用于檢測發現埋地電纜和墻內埋設電纜的斷頭。
圖3 導波雷達測量原理圖 |
ETS等時采樣原理用于測量高速、低功率的電磁信號，是基于TDR 的液位測量技術應用的關鍵。眾所周知，高速的電磁信號短距離的測量是很困難的，ETS實時捕捉電磁信號(UIS)，并且在等值的時間里重新構造它們，以利于更好使用先進的技術測量。
物位測量技術發展到今日，已出現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揮著重要的作用：壓力/壓差測量液位法；射頻導納/電容液位計；超聲波液位計和浮筒液位計等都已在工業上有了數十年的成功使用經驗，但導波雷達液位計以其具有明顯的使用優點及性能更加引起大家的關注：
1) 能耗低。GWR輸出到波導探頭的信號能量小，約為非接觸式雷達發射能量的10%。這是因為波導體為信號至介質表面傳播提供一條快捷高效的通道，信號的衰減保持在最小程度。
圖4 西門子LG200導波雷達 |
3) 范圍廣。基于上一特性，對于低介電常數的介質導波雷達擁有令人滿意的表現，以西門子LG200產品(圖4)為例，其可測的最低介電常數竟為1.4!
4) 介電常數的變化對測量性能無影響。信號自烴類(介電常數2~3)液體表面或水(介電常數80)反射的時間一樣，不同的只是信號幅度的差別，微波雷達需考慮介質進而經過篩選才可得到準確測量值，假定接收信號強度改變，信號的篩選就會受到影響；導波雷達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。介質密度的變化影響浸沒于介質中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導體中的傳播。
6) 介質在探桿/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，高黏度介質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致明顯的測量誤差，因此在選用雙桿/纜式導體時，需要謹慎小心，充分考慮到介質的黏度!
3. 西門子導波雷達物位計介紹及其應用
西門子公司作為世界上知名的自動化電氣設備供應廠商，在現場測量儀表領域也位居前列！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域處于領先位置！
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波雷達物位計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波雷達物位計。它不受過程條件改變，高溫和高壓，蒸汽的影響。具有：
1) 多達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
3) 高達427°C溫度和431Bar壓力；
4) 手動按鍵以及SIMATIC PDM兩種方式設置參數.
該產品問市不久即在眾人矚目的首鋼京唐項目中一舉中標！首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司由首鋼總公司聯合唐山鋼鐵集團有限責任公司共同發起，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、電和交通等配套設施齊全，隨著2007年底首鋼北京地區鋼產量壓縮為400萬噸，曹妃甸新首鋼將建成投產。項目建設的主要規模為：原料場、球團系統、燒結系統、焦化系統、煉鐵/鋼系統、冷軋系統、熱軋
系統、供發電系統、供水系統等配套公輔設施，建設規模為980萬t/a。產品目標是熱軋、冷軋、鍍鋅、冷軋硅鋼等高端板材產品，其中以高強度、超深沖的汽車板、高強度管線鋼和結構鋼為產品標志，主要滿足汽車、機電、家電、建筑及結構、機械等行業對高質量板材品種的需求。
 圖5 導波雷達在 首鋼京唐鋼廠現場 |
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