雷達(dá)料位計的選型和應(yīng)用總結(jié)
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雷達(dá)料位計的選型和應(yīng)用總結(jié)
雷達(dá)料位計的選型和應(yīng)用總結(jié)
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雷達(dá)料位計的選型和應(yīng)用總結(jié)
一總結(jié)：
物位是水泥工業(yè)生產(chǎn)過程的主要測量參數(shù)之一，和其他行業(yè)不同，在水泥工
業(yè)中主要是固體物料的物位測量，液位測量則很少。固體物料種類繁多，有塊狀、
顆粒狀、粉狀，這些物料的介電常數(shù)、容重、溫度、水分含量也各不相同。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，攬式
等測量方法，由于測量時儀表和物料是接觸的，在使用過程中往往會出現(xiàn)各種問
題，如電容的掛料；重錘的斷錘、埋錘；音叉的堵料等，且日常的維護(hù)量很大。
到20世紀(jì)末，水泥工業(yè)開始采用非接觸的物位測量，較早成熟的非接觸的測量
技術(shù)有超聲波技術(shù)．
超聲波技術(shù)近幾年來發(fā)展很快，是目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測量方法，特
別在液位測量。在水泥廠超聲波物位測量已較普遍應(yīng)用在原料調(diào)配庫、原煤庫、
熟料庫等，但超聲波必須借助于介質(zhì)傳播，如在水泥廠的儲庫物位測量通常以空
氣作為傳播介質(zhì)，而空氣的溫度、濕度的變化會影響超聲波傳播速度，空氣中的
粉塵也將衰減超聲波的傳播信號；當(dāng)前超聲波物位測量僅用于測量塊料或顆粒狀
的物料，對粉倉料位的測量，由于粉倉料位表面在下料時非常疏松，對超聲波信
號有較強的衰減，現(xiàn)未使用．
九十年代末期，在過程檢測領(lǐng)域出現(xiàn)了高性能、低價格的微波物位計即雷達(dá)
料位計，所謂微波是電磁波，其頻率范圍為300MHz～300GHz, 微波的傳播速度
為3x108 m/s, 如設(shè)頻率為5. 8GHz, 在大氣中波長約為52mm，其穿透力強，傳
播速度不受粉塵、蒸汽及介質(zhì)組分的影響，傳播衰減也很??；對被測固體物料除
要求其介電常數(shù)ε>1.8外，物料的溫度、壓力、密度等幾乎不影響對其準(zhǔn)確的
測量；現(xiàn)有雷達(dá)料位計在天線設(shè)計和形狀確保了接受回波的能量；另外現(xiàn)場調(diào)試
也十分簡單，通過專用的軟件，能把正確的回波迅速找到，并立即換算為物位值。
由于比超聲料位計有其更卓越的性能，近幾年來，雷達(dá)料位計迅速、大量進(jìn)入了
過程檢測儀表的市場，在各行業(yè)普遍使用，如中環(huán)天儀西門子組裝雷達(dá)料位計。
在水泥行業(yè)也幾乎由雷達(dá)料位計統(tǒng)占物位測量的領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計近幾年來新設(shè)計的
大型水泥廠和粉磨站的各類庫和倉近90%采用了各種類型的雷達(dá)料位計如西門
子雷達(dá)料位計，成功用在內(nèi)蒙古冀東水泥廠，北京水泥廠等項目．
二． 雷達(dá)料位測量原理和主要技術(shù)因素
雷達(dá)料位計是利用回波測距原理。發(fā)射天線向被測目標(biāo)發(fā)射微波，被測目標(biāo)
的微波被接收天線接收，信號處理器將發(fā)射信號與接收信號比較，計算出被測距
離，并可算出相應(yīng)的物位值。
微波脈沖來回傳播時間t由下式?jīng)Q定：
t= （1）
式中a—天線到被測目標(biāo)的距離
c—微波傳播的速度（光速）
由于微波在傳播途徑上有衰減和干擾反射，故測量的關(guān)鍵是要能接收到反射回
波，并識別出有效回波。接收的回波能量Pk可用簡化的雷達(dá)方程表示如下：
Pk=Pτx C x GiGtGr/r4 （2）
式中： Pτ—天線輻射功率C ——- 經(jīng)驗系數(shù)，由經(jīng)驗決定
Gi——- 由目標(biāo)表面介電特性及面積決定的反射增益
Gt，Gr—天線發(fā)射和接收效率
r—天線與目標(biāo)間的距離
從式（2）知：接收的回波能量大小與天線的發(fā)射和接收效率以及天線輻射
功率有關(guān)，故雷達(dá)料位計的天線設(shè)計和形狀很關(guān)鍵關(guān)鍵，現(xiàn)有的天線除號角天線
（喇叭口）和棒狀天線外，還有平面天線和拋物面天線，為用于介電常數(shù)較小的
物料，將纜繩作為天線或安裝導(dǎo)波管，纜繩和導(dǎo)波管一直延伸到庫或倉底，由此
來傳遞發(fā)送和接收的電磁波，增強了回波的信號。
從式（2）還知：接收的回波能量大小與物料表面的介電特性有關(guān)，介電常
數(shù)ε高，反射率高，得到的回波強度也高；介電常數(shù)ε低，物料會吸收部分微波
的能量，回波強度也較低。通常要求被測物料的介電常數(shù)ε：液體為ε>1.8,固
體ε>2.5， 水泥廠固體ε>2.5，水泥的介電常數(shù)ε為3。
在水泥工廠，各種固體物料儲存在庫或倉里，都存在物料的安息角，回波反
射也會象超聲波一樣存在漫反射，產(chǎn)生干擾回波和假回波，通過軟件可排除干擾
回波和假回波，但有效回波強度會減少很多，故設(shè)計選型時，要考慮衰減，選量
程要留有一定的余量。
三 雷達(dá)料位計的選型
1．脈沖型和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)
用于測物位的雷達(dá)料位計通常分為兩類：脈沖型雷達(dá)（Pulse）和調(diào)頻連續(xù)
波雷達(dá)（FMCW）。在過程監(jiān)測場合主要選用脈沖型雷達(dá)，由于其頻率較低（6.3GHz），
并且在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮了冷凝、積料等影響，還能利用超聲波料位計中
的回波信號處理，在有攪拌器等復(fù)雜工況中也能識別有效回波，價格相對也較便
宜，故在水泥行業(yè)中主要采用了以中環(huán)天儀西門子組裝雷達(dá)為代表的雷達(dá)．雷達(dá)
由于發(fā)射功率大，量程大，價格也有較大下降，而且可靠性高，故近期在水泥行
業(yè)已較多采用了此中環(huán)天儀雷達(dá)。
2．顆粒狀物料的選型
在水泥廠原料大多是顆粒狀物料，少數(shù)是塊料，如石灰石、原煤、頁巖等，
其半成品熟料也是顆粒狀物料，儲存在庫或倉里，都存在物料的安息角，但也有
反射介面。根據(jù)入料和卸料所形成的物料安息角和表面情況，在確定有效量程后，
建議采用非接觸型的雷達(dá)料位計，即帶有棒形或號角形天線的料位計。如用接觸
型的雷達(dá)料位計，會產(chǎn)生對纜繩較大的下拉力，造成事故。根據(jù)水泥廠信息反饋，
號角形天線的料位計回波更強，精確度更高（±0.2～±1% F.S）,
3．粉狀物料的選型
在水泥廠和粉磨站水泥庫一般有4～8個，在水泥廠還有生料均化庫和粉煤
灰?guī)?，這些物料全是粉料，非常難測其料位。在庫里的粉料表面非常疏松，微波
反射相當(dāng)困難，為此建議采用接觸型雷達(dá)料位計,也可選用大法蘭的非接觸型雷
達(dá)料位計，較典型雷達(dá)：中環(huán)天儀組裝雷達(dá)。
4．二線制
目前使用的雷達(dá)料位計大多是一體化的產(chǎn)品，由二線制供電，可直接接控制
系統(tǒng)的模塊，輸出4～20mA的模擬信號，可節(jié)省大量電纜；同時還提供HART數(shù)
字信號和各種協(xié)議的現(xiàn)場總線的數(shù)字通信功能，和計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接非常方便．
四． 結(jié)論
水泥廠的物位測量是水泥生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)一個重要組成部分，雷達(dá)料位計
的應(yīng)用解除了人們對水泥廠的物位測量的疑慮，現(xiàn)有雷達(dá)料位計在品種、精確度、
標(biāo)準(zhǔn)材料、耐壓、耐高溫、防爆等方面都能滿足水泥廠檢測和控制的要求。
一總結(jié)：
物位是水泥工業(yè)生產(chǎn)過程的主要測量參數(shù)之一，和其他行業(yè)不同，在水泥工
業(yè)中主要是固體物料的物位測量，液位測量則很少。固體物料種類繁多，有塊狀、
顆粒狀、粉狀，這些物料的介電常數(shù)、容重、溫度、水分含量也各不相同。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，攬式
等測量方法，由于測量時儀表和物料是接觸的，在使用過程中往往會出現(xiàn)各種問
題，如電容的掛料；重錘的斷錘、埋錘；音叉的堵料等，且日常的維護(hù)量很大。
到20世紀(jì)末，水泥工業(yè)開始采用非接觸的物位測量，較早成熟的非接觸的測量
技術(shù)有超聲波技術(shù)．
超聲波技術(shù)近幾年來發(fā)展很快，是目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測量方法，特
別在液位測量。在水泥廠超聲波物位測量已較普遍應(yīng)用在原料調(diào)配庫、原煤庫、
熟料庫等，但超聲波必須借助于介質(zhì)傳播，如在水泥廠的儲庫物位測量通常以空
氣作為傳播介質(zhì)，而空氣的溫度、濕度的變化會影響超聲波傳播速度，空氣中的
粉塵也將衰減超聲波的傳播信號；當(dāng)前超聲波物位測量僅用于測量塊料或顆粒狀
的物料，對粉倉料位的測量，由于粉倉料位表面在下料時非常疏松，對超聲波信
號有較強的衰減，現(xiàn)未使用．
九十年代末期，在過程檢測領(lǐng)域出現(xiàn)了高性能、低價格的微波物位計即雷達(dá)
料位計，所謂微波是電磁波，其頻率范圍為300MHz～300GHz, 微波的傳播速度
為3x108 m/s, 如設(shè)頻率為5. 8GHz, 在大氣中波長約為52mm，其穿透力強，傳
播速度不受粉塵、蒸汽及介質(zhì)組分的影響，傳播衰減也很??；對被測固體物料除
要求其介電常數(shù)ε>1.8外，物料的溫度、壓力、密度等幾乎不影響對其準(zhǔn)確的
測量；現(xiàn)有雷達(dá)料位計在天線設(shè)計和形狀確保了接受回波的能量；另外現(xiàn)場調(diào)試
也十分簡單，通過專用的軟件，能把正確的回波迅速找到，并立即換算為物位值。
由于比超聲料位計有其更卓越的性能，近幾年來，雷達(dá)料位計迅速、大量進(jìn)入了
過程檢測儀表的市場，在各行業(yè)普遍使用，如中環(huán)天儀西門子組裝雷達(dá)料位計。
在水泥行業(yè)也幾乎由雷達(dá)料位計統(tǒng)占物位測量的領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計近幾年來新設(shè)計的
大型水泥廠和粉磨站的各類庫和倉近90%采用了各種類型的雷達(dá)料位計如西門
子雷達(dá)料位計，成功用在內(nèi)蒙古冀東水泥廠，北京水泥廠等項目．
二． 雷達(dá)料位測量原理和主要技術(shù)因素
雷達(dá)料位計是利用回波測距原理。發(fā)射天線向被測目標(biāo)發(fā)射微波，被測目標(biāo)
的微波被接收天線接收，信號處理器將發(fā)射信號與接收信號比較，計算出被測距
離，并可算出相應(yīng)的物位值。
微波脈沖來回傳播時間t由下式?jīng)Q定：
t= （1）
式中a—天線到被測目標(biāo)的距離
c—微波傳播的速度（光速）
由于微波在傳播途徑上有衰減和干擾反射，故測量的關(guān)鍵是要能接收到反射回
波，并識別出有效回波。接收的回波能量Pk可用簡化的雷達(dá)方程表示如下：
Pk=Pτx C x GiGtGr/r4 （2）
式中： Pτ—天線輻射功率C ——- 經(jīng)驗系數(shù)，由經(jīng)驗決定
Gi——- 由目標(biāo)表面介電特性及面積決定的反射增益
Gt，Gr—天線發(fā)射和接收效率
r—天線與目標(biāo)間的距離
從式（2）知：接收的回波能量大小與天線的發(fā)射和接收效率以及天線輻射
功率有關(guān)，故雷達(dá)料位計的天線設(shè)計和形狀很關(guān)鍵關(guān)鍵，現(xiàn)有的天線除號角天線
（喇叭口）和棒狀天線外，還有平面天線和拋物面天線，為用于介電常數(shù)較小的
物料，將纜繩作為天線或安裝導(dǎo)波管，纜繩和導(dǎo)波管一直延伸到庫或倉底，由此
來傳遞發(fā)送和接收的電磁波，增強了回波的信號。
從式（2）還知：接收的回波能量大小與物料表面的介電特性有關(guān)，介電常
數(shù)ε高，反射率高，得到的回波強度也高；介電常數(shù)ε低，物料會吸收部分微波
的能量，回波強度也較低。通常要求被測物料的介電常數(shù)ε：液體為ε>1.8,固
體ε>2.5， 水泥廠固體ε>2.5，水泥的介電常數(shù)ε為3。
在水泥工廠，各種固體物料儲存在庫或倉里，都存在物料的安息角，回波反
射也會象超聲波一樣存在漫反射，產(chǎn)生干擾回波和假回波，通過軟件可排除干擾
回波和假回波，但有效回波強度會減少很多，故設(shè)計選型時，要考慮衰減，選量
程要留有一定的余量。
三 雷達(dá)料位計的選型
1．脈沖型和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)
用于測物位的雷達(dá)料位計通常分為兩類：脈沖型雷達(dá)（Pulse）和調(diào)頻連續(xù)
波雷達(dá)（FMCW）。在過程監(jiān)測場合主要選用脈沖型雷達(dá)，由于其頻率較低（6.3GHz），
并且在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮了冷凝、積料等影響，還能利用超聲波料位計中
的回波信號處理，在有攪拌器等復(fù)雜工況中也能識別有效回波，價格相對也較便
宜，故在水泥行業(yè)中主要采用了以中環(huán)天儀西門子組裝雷達(dá)為代表的雷達(dá)．雷達(dá)
由于發(fā)射功率大，量程大，價格也有較大下降，而且可靠性高，故近期在水泥行
業(yè)已較多采用了此中環(huán)天儀雷達(dá)。
2．顆粒狀物料的選型
在水泥廠原料大多是顆粒狀物料，少數(shù)是塊料，如石灰石、原煤、頁巖等，
其半成品熟料也是顆粒狀物料，儲存在庫或倉里，都存在物料的安息角，但也有
反射介面。根據(jù)入料和卸料所形成的物料安息角和表面情況，在確定有效量程后，
建議采用非接觸型的雷達(dá)料位計，即帶有棒形或號角形天線的料位計。如用接觸
型的雷達(dá)料位計，會產(chǎn)生對纜繩較大的下拉力，造成事故。根據(jù)水泥廠信息反饋，
號角形天線的料位計回波更強，精確度更高（±0.2～±1% F.S）,
3．粉狀物料的選型
在水泥廠和粉磨站水泥庫一般有4～8個，在水泥廠還有生料均化庫和粉煤
灰?guī)?，這些物料全是粉料，非常難測其料位。在庫里的粉料表面非常疏松，微波
反射相當(dāng)困難，為此建議采用接觸型雷達(dá)料位計,也可選用大法蘭的非接觸型雷
達(dá)料位計，較典型雷達(dá)：中環(huán)天儀組裝雷達(dá)。
4．二線制
目前使用的雷達(dá)料位計大多是一體化的產(chǎn)品，由二線制供電，可直接接控制
系統(tǒng)的模塊，輸出4～20mA的模擬信號，可節(jié)省大量電纜；同時還提供HART數(shù)
字信號和各種協(xié)議的現(xiàn)場總線的數(shù)字通信功能，和計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接非常方便．
四． 結(jié)論
水泥廠的物位測量是水泥生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)一個重要組成部分，雷達(dá)料位計
的應(yīng)用解除了人們對水泥廠的物位測量的疑慮，現(xiàn)有雷達(dá)料位計在品種、精確度、
標(biāo)準(zhǔn)材料、耐壓、耐高溫、防爆等方面都能滿足水泥廠檢測和控制的要求。
