西門子導(dǎo)波雷達(dá)物位計在鋼鐵廠中的應(yīng)用

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)因為其特殊性，應(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。

所謂的雷達(dá)測量技術(shù)包含兩種：微波雷達(dá)(非接觸式)以及導(dǎo)波雷達(dá)，其中微波雷達(dá)技術(shù)隨著成本的降低和在諸多苛刻工況應(yīng)用中的優(yōu)異測量效果得到廣大用戶的認(rèn)可，但這并不意味著微波雷達(dá)技術(shù)就是一種萬能的測量技術(shù)，可以測量所有的介質(zhì)；相對而言，全新的導(dǎo)波雷達(dá)技術(shù)(Guide Wave Radar)恰恰彌補(bǔ)了微波雷達(dá)的不足之處。

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：

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

　　微波雷達(dá)通過發(fā)射和接收高頻(GHz)級電磁波，計算電磁波達(dá)到物位表面并反射回到接收天線的時間來進(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，能量衰減較快，當(dāng)微波信號到達(dá)物位表面并反射時，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)物位計的這些不足之處，導(dǎo)波雷達(dá)物位儀表應(yīng)運而生，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(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

　　測電纜斷頭時，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號沿電纜傳播，到達(dá)斷頭處就會產(chǎn)生測量反射脈沖(圖3)；同時，在接收器中預(yù)先設(shè)定的與電纜總長度相應(yīng)的阻抗變化也引發(fā)出一個基準(zhǔn)脈沖，將反射脈沖與基準(zhǔn)脈沖相比較，可精確定位斷頭的位置。將該原理用于物位測量時，TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生數(shù)十萬個能量脈沖沿波導(dǎo)體傳導(dǎo)，當(dāng)?shù)竭_(dá)介質(zhì)表面時，產(chǎn)生一個物位反射原始脈沖；與此同時在探頭的頂部預(yù)設(shè)一個定值阻抗，用以產(chǎn)生一個可靠的基準(zhǔn)脈沖，該脈沖又稱為基線反射脈沖。雷達(dá)物位計檢查到物位反射原始脈沖，并與基線反射脈沖相比較，從而得到物位測量的數(shù)值，這就是導(dǎo)波雷達(dá)物位儀表的工作過程。

　　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(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實時捕捉電磁信號(UIS)，并且在等值的時間里重新構(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；超聲波液位計和浮筒液位計等都已在工業(yè)上有了數(shù)十年的成功使用經(jīng)驗，但導(dǎo)波雷達(dá)液位計以其具有明顯的使用優(yōu)點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%。這是因為波導(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。

2) 能量強(qiáng)。由于信號在波導(dǎo)體中傳輸不受液面波動和儲罐中的障礙物等的影響，因而儀表所接收到的返回信號能量相應(yīng)較強(qiáng)，約為所發(fā)射能量的20%。

3) 范圍廣?；谏弦惶匦?，對于低介電常數(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，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，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。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。

在首鋼京唐的項目中，西門子公司的導(dǎo)波雷達(dá)物位計SITRANS LG200主要用于現(xiàn)場的水封槽、冷凝槽的液位測量(圖6)，在安裝施工階段，他們還派出了專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，這款產(chǎn)品簡便的參數(shù)設(shè)置易于操作，便捷的安裝方式得到了我們項目現(xiàn)場使用人員的認(rèn)可，自今年4月份安裝至今西門子公司的產(chǎn)品LG200表現(xiàn)穩(wěn)定可靠！