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雷達物位傳感器在鐵水罐鐵水液面測量的應用

作者: 來源: 發布時間:2017-07-22 10:28:53

 摘要: 敞開式鐵水罐鐵水液面以及鐵水液面與罐檐的高度差的準確測量,直接關系到鐵路運輸沿線人員、設備的安全,以及鐵水 “一罐到底”的運行效率。文章結合現場的實際應用,驗證了雷達物位傳感器應用在此類測量過程中的可行性和可靠性。

 
引言
          敞開式鐵水罐鐵水液面以及鐵水液面與罐檐的高度差的準確測量,直接關系到鐵路運輸沿線人員、設備的安全,以及鐵水 “一罐到底”的運行效率,所以各冶金企業均對其實施了嚴格的管控?,F階段,比較普遍的測量方法是通過人工(經驗) 目視或鐵水液面計 (稱重換算原理) 測量。但受制于高爐鐵口的工作環境和相關工藝操作的特點,上述兩種測量方式的可靠性均不理想。其中,目視方法主要是受鐵口粉塵、人眼識別界限和視覺差的影響,造成其測量的誤差非常大;而鐵水液面計 (稱重換算原理) 則是由于其安裝位置在高爐鐵口正下方,鐵水罐接鐵水時的噴濺,以及事故狀態的鐵口 “跑鐵” (即 1 300 ℃鐵水經鐵口直接落地),都會對測量設備造成非常大的損失 (恢復費用較高),并影響設備的運行完好率和測量的可靠性。
 
          綜合前面幾種測量方式,我們發現: 在使用環境和工藝操作相對固化的情況下,采用雷達物位傳感器可以通過改進自身的技術性能來提高對敞開式鐵水罐鐵水液面的測量精度與穩定性。這也是我們此次現場應用試驗的基本出發點。
 
1 測量原理
          現在廣泛使用的雷達物位傳感器有以下 3 種類型: 脈沖雷達物位傳感器、調頻連續波雷達物位傳感器和導波雷達物位傳感器。而根據高爐鐵口高溫、高粉塵的測量環境特點,我們選擇了抗干擾能力和測量精度較高的調頻連續波雷達物位傳感器來進行實驗。它主要由發射和接收裝置、信號處理器、天線、操作面板、顯示、故障報警等幾部分組成。發射 - 反射 - 接收是雷達式料位計工作的基本原理。雷達傳感器的天線以波束的形式發射雷達信號。反射回來的信號仍由天線接收,雷達脈沖信號從發射到接收的運行時間與傳感器到介質表面的距離以及物位成比例,即:
          h = H - vt/2
          式中: h 為料位; H 為槽高; v 為雷達波速度; t 為雷達波發射到接收的間隔時間。
 
          從雷達物位傳感器的測量原理可以知道,雷達物位傳感器是通過處理雷達波從探頭發射到介質表面然后返回到探頭的時間來測量料位的,在反射信號中混合有許多干擾信號,所以,對真實回波的處理和對各種虛假回波的識別技術就成為雷達料位計能夠準確測量的關鍵因素。具體到高爐鐵口的測量環境,我們必須重點解決兩方面的技術瓶頸,一方面是雷達物位傳感器的發射角必須足夠小,聚集性能非常強 (即雷達頻率要非常高),這樣才能保證鐵水罐停泊位置出現誤差時不會在罐子上沿和其殘留物處產生干擾,并且確保雷達波有足夠的能力穿透粉塵,獲得良好可靠的測量品質; 另一方面是如何使用程序實現鐵水罐罐檐及鐵水液面高度差的準確判斷和測量。
 
2 試驗介紹
2. 1 測量設備性能
          現階段,常用的雷達物位傳感器的發射頻率普遍在 26 GHz 左右,發射角在 5°左右。但根據我們的使用經驗,此技術性能依然無法滿足高爐鐵口敞開式鐵水罐鐵水液面穩定、準確測量的要求。故此次我們在一高爐 3 號鐵口 (對應 5 號、6 號鐵水運輸線上方) 嘗試使用了 2 臺 VEGA GrieshaberKG 在全球首推的用于液位測量的超高頻 80 GHz頻率的雷達式傳感器 (VEGAPULS64)。它的性能描述如下:
          (1) 專用于液位測量的全密封透鏡式天線,連續調頻原理的雷達式傳感器。
          (2) zui大測量標尺 30 m。
          (3) 波束角度 3°,具備非常好的聚波性能,穿透性能超強,可以有效地克服煙氣、粉塵、被測表面漂浮物以及介質粘附對測量的影響。
          (4) 由于安裝方式的原因,這種產品的耐溫薄弱部分是接線盒內的電子部件,所以安裝傳感器的位置環境溫度不能超過 80 ℃。
          (5) 雷達本身帶有藍壓調試功能,我們將來的參數調整無需在處于相對高溫危險區域的傳感器上進行??梢杂檬謾C、IPad 或手提電腦在距離傳感器 25 m 內的任何地方進行,這樣非常安全。
 
2. 2 現場安裝要點
          為了滿足傳感器的位置環境溫度 (不能超過80 ℃) 的要求。我們的做法是在出鐵口檢修通道的活動蓋板上安裝傳感器,如圖 1 所示。
雷達傳感器安裝位置圖雷達液位計安裝支架圖
          (1) 蓋板是用鋼板加隔溫材料制作的。正常情況下其上表面的溫度不會超過 50 ℃。
          (2) 為了適應上述簡便拆卸的要求,我們制作了一個輕便的支架,把 雷 達 式 傳 感 器 架 起350 mm,測量孔的直徑為 100 mm。安裝支架圖如圖 2 所示。
          (3) 為了防止熾熱的氣體和介質從測量孔灼烤雷達天線,我們設置了一塊絕緣隔熱板遮擋雷達天線,從現場實測數據看,電子部件的溫度大約為 42 ℃,這樣就使雷達傳感器處于一個相對低溫的位置,省去了氮氣吹掃等輔助降溫裝置的使用,系統結構簡單。
          (4) 為了適應電纜快速拆卸的要求,我們采用了航空插頭連接供電和信號電纜。
 
2. 3 試驗情況
        測量過程: 注入鐵水 - 注滿 - 移走 - 更換一個空鐵水包。
        測量范圍: 測量范圍4 ~10 m,對應4 ~20 mA輸出的量程為 0 ~6 m。
        實測數據: 鐵口下方鐵路運輸線無罐時,雷達傳感器指示 -0. 7 m 左右; 空鐵水罐處于被測位置時,液位顯示 0. 3 ~ 0. 6 m (由于鐵水包底部殘留的介質有差異所致); 當液位達到 3. 1 m 左右時,投入保溫劑; 液位為 3. 1 ~ 3. 2 m 時,罐滿(工藝要求液面距離鐵水包的上檐 400 mm)。敞開式鐵水罐罐檐的測量方案: 根據測量記錄曲線,使用程序進行波形分析,對同一鐵水罐進、出鐵口的 2 次測量數據峰值進行取樣、分析、對比,從而得出鐵水罐檐的高度 (實測數據為3. 6 m)。
        試驗結果: 通過 3 個月的實測數據比對,測量結果完全達到了現場工藝的測量要求,數據真實、可靠。VEGAPULS64 雷達式傳感器的運行完好率達到了 100%。
        期間,為了掌握傳感器對安裝位置的適應性,我們先將 6 號鐵水運輸線上方的雷達傳感器安裝位置靠近鐵水罐的中央位置,5 號鐵水運輸線上方的雷達傳感器的位置則偏離中央位置。兩個測量點的測量效果如圖3 和圖4 所示,圖上6 號鐵水運輸線上方的雷達傳感器的注料平穩,更換另一個空鐵水包時跟隨非常迅速,測量效果很好; 而 5號鐵水運輸線上方的雷達傳感器的探測波受到罐體的干擾,時常打到鐵水罐的邊緣,測量曲線總是向zui滿 (指示 3. 1 ~ 3. 6 m) 的位置跳變。2 天后,5 號鐵水運輸線上方的雷達傳感器按 6 號鐵水運輸線的位置調整后,測量數據也達到了理想的效果。實測回波曲線如圖 5 所示。
圖 3 5 號、6 號鐵水運輸線上方的雷達 傳感器實測數據曲線5 號鐵水運輸線上方的雷達傳感器安裝 位置調整后的實測數據曲線
3 結束語
          從此次試驗用的 雷達物位傳感器的實測回波曲線可以看出:
          (1) 測量回波的振幅相當高,意味著測量的可靠性非常高。
          (2) 為了避免探測波受到罐體的干擾,雷達傳感器的安裝位置一定要遠離鐵水罐的邊緣。利用 VEGAPULS64 雷達物位傳感器超小波束角的優勢,在避開注料料流的前提下,盡量選擇鐵水罐的中央位置作為雷達式傳感器的安裝位置。
          (3) 測量過程中產生的煙氣和粉塵只是導致回波信號的振幅稍有降低,由于雷達的波束角度小,聚波性能好,測量回波的振幅很強,對測量也未產生任何影響。
 
          因此,我們的此次試驗充分驗證了 VEGA-PULS64 雷達物位傳感器應用在敞開式鐵水罐鐵水液面,以及鐵水液面與罐檐的高度差的準確測量的可行性和可靠性,此技術是值得推廣的

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