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雷达物位传感器在铁水罐铁水液面测量的应用

编辑: 来源: 发布时间:2017-07-22 10:28:53

 摘要: 敞开式铁水罐铁水液面以及铁水液面与罐檐的高度差的准确测量,直接关系到铁路运输沿线人员、设备的安全,以及铁水 “一罐到底”的运行效率。文章结合现场的实际应用,验证了雷达物位传感器应用在此类测量过程中的可行性和可靠性。

 
引言
          敞开式铁水罐铁水液面以及铁水液面与罐檐的高度差的准确测量,直接关系到铁路运输沿线人员、设备的安全,以及铁水 “一罐到底”的运行效率,所以各冶金企业均对其实施了严格的管控。现阶段,比较普遍的测量方法是通过人工(经验) 目视或铁水液面计 (称重换算原理) 测量。但受制于高炉铁口的工作环境和相关工艺操作的特点,上述两种测量方式的可靠性均不理想。其中,目视方法主要是受铁口粉尘、人眼识别界限和视觉差的影响,造成其测量的误差非常大;而铁水液面计 (称重换算原理) 则是由于其安装位置在高炉铁口正下方,铁水罐接铁水时的喷溅,以及事故状态的铁口 “跑铁” (即 1 300 ℃铁水经铁口直接落地),都会对测量设备造成非常大的损失 (恢复费用较高),并影响设备的运行完好率和测量的可靠性。
 
          综合前面几种测量方式,大家发现: 在使用环境和工艺操作相对固化的情况下,采用雷达物位传感器可以通过改进自身的技术性能来提高对敞开式铁水罐铁水液面的测量精度与稳定性。这也是大家此次现场应用试验的基本出发点。
 
1 测量原理
          现在广泛使用的雷达物位传感器有以下 3 种类型: 脉冲雷达物位传感器、调频连续波雷达物位传感器和导波雷达物位传感器。而根据高炉铁口高温、高粉尘的测量环境特点,大家选择了抗干扰能力和测量精度较高的调频连续波雷达物位传感器来进行实验。它主要由发射和接收装置、信号处理器、天线、操作面板、显示、故障报警等几部分组成。发射 - 反射 - 接收是雷达式料位计工作的基本原理。雷达传感器的天线以波束的形式发射雷达信号。反射回来的信号仍由天线接收,雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间与传感器到介质表面的距离以及物位成比例,即:
          h = H - vt/2
          式中: h 为料位; H 为槽高; v 为雷达波速度; t 为雷达波发射到接收的间隔时间。
 
          从雷达物位传感器的测量原理可以知道,雷达物位传感器是通过处理雷达波从探头发射到介质表面然后返回到探头的时间来测量料位的,在反射信号中混合有许多干扰信号,所以,对真实回波的处理和对各种虚假回波的识别技术就成为雷达料位计能够准确测量的关键因素。具体到高炉铁口的测量环境,大家必须重点解决两方面的技术瓶颈,一方面是雷达物位传感器的发射角必须足够小,聚集性能非常强 (即雷达频率要非常高),这样才能保证铁水罐停泊位置出现误差时不会在罐子上沿和其残留物处产生干扰,并且确保雷达波有足够的能力穿透粉尘,获得良好可靠的测量品质; 另一方面是如何使用程序实现铁水罐罐檐及铁水液面高度差的准确判断和测量。
 
2 试验先容
2. 1 测量设备性能
          现阶段,常用的雷达物位传感器的发射频率普遍在 26 GHz 左右,发射角在 5°左右。但根据大家的使用经验,此技术性能依然无法满足高炉铁口敞开式铁水罐铁水液面稳定、准确测量的要求。故此次大家在一高炉 3 号铁口 (对应 5 号、6 号铁水运输线上方) 尝试使用了 2 台 VEGA GrieshaberKG 在全球首推的用于液位测量的超高频 80 GHz频率的雷达式传感器 (VEGAPULS64)。它的性能描述如下:
          (1) 专用于液位测量的全密封透镜式天线,连续调频原理的雷达式传感器。
          (2) 最大测量标尺 30 m。
          (3) 波束角度 3°,具备非常好的聚波性能,穿透性能超强,可以有效地克服烟气、粉尘、被测表面漂浮物以及介质粘附对测量的影响。
          (4) 由于安装方式的原因,这种产品的耐温薄弱部分是接线盒内的电子部件,所以安装传感器的位置环境温度不能超过 80 ℃。
          (5) 雷达本身带有蓝压调试功能,大家将来的参数调整无需在处于相对高温危险区域的传感器上进行。可以用手机、IPad 或手提电脑在距离传感器 25 m 内的任何地方进行,这样非常安全。
 
2. 2 现场安装要点
          为了满足传感器的位置环境温度 (不能超过80 ℃) 的要求。大家的做法是在出铁口检修通道的活动盖板上安装传感器,如图 1 所示。
雷达传感器安装位置图腾博会最新官网安装支架图
          (1) 盖板是用钢板加隔温材料制作的。正常情况下其上表面的温度不会超过 50 ℃。
          (2) 为了适应上述简便拆卸的要求,大家制作了一个轻便的支架,把 雷 达 式 传 感 器 架 起350 mm,测量孔的直径为 100 mm。安装支架图如图 2 所示。
          (3) 为了防止炽热的气体和介质从测量孔灼烤雷达天线,大家设置了一块绝缘隔热板遮挡雷达天线,从现场实测数据看,电子部件的温度大约为 42 ℃,这样就使雷达传感器处于一个相对低温的位置,省去了氮气吹扫等辅助降温装置的使用,系统结构简单。
          (4) 为了适应电缆快速拆卸的要求,大家采用了航空插头连接供电和信号电缆。
 
2. 3 试验情况
        测量过程: 注入铁水 - 注满 - 移走 - 更换一个空铁水包。
        测量范围: 测量范围4 ~10 m,对应4 ~20 mA输出的量程为 0 ~6 m。
        实测数据: 铁口下方铁路运输线无罐时,雷达传感器指示 -0. 7 m 左右; 空铁水罐处于被测位置时,液位显示 0. 3 ~ 0. 6 m (由于铁水包底部残留的介质有差异所致); 当液位达到 3. 1 m 左右时,投入保温剂; 液位为 3. 1 ~ 3. 2 m 时,罐满(工艺要求液面距离铁水包的上檐 400 mm)。敞开式铁水罐罐檐的测量方案: 根据测量记录曲线,使用程序进行波形分析,对同一铁水罐进、出铁口的 2 次测量数据峰值进行取样、分析、对比,从而得出铁水罐檐的高度 (实测数据为3. 6 m)。
        试验结果: 通过 3 个月的实测数据比对,测量结果完全达到了现场工艺的测量要求,数据真实、可靠。VEGAPULS64 雷达式传感器的运行完好率达到了 100%。
        期间,为了掌握传感器对安装位置的适应性,大家先将 6 号铁水运输线上方的雷达传感器安装位置靠近铁水罐的中央位置,5 号铁水运输线上方的雷达传感器的位置则偏离中央位置。两个测量点的测量效果如图3 和图4 所示,图上6 号铁水运输线上方的雷达传感器的注料平稳,更换另一个空铁水包时跟随非常迅速,测量效果很好; 而 5号铁水运输线上方的雷达传感器的探测波受到罐体的干扰,时常打到铁水罐的边缘,测量曲线总是向最满 (指示 3. 1 ~ 3. 6 m) 的位置跳变。2 天后,5 号铁水运输线上方的雷达传感器按 6 号铁水运输线的位置调整后,测量数据也达到了理想的效果。实测回波曲线如图 5 所示。
图 3 5 号、6 号铁水运输线上方的雷达 传感器实测数据曲线5 号铁水运输线上方的雷达传感器安装 位置调整后的实测数据曲线
3 结束语
          从此次试验用的 雷达物位传感器的实测回波曲线可以看出:
          (1) 测量回波的振幅相当高,意味着测量的可靠性非常高。
          (2) 为了避免探测波受到罐体的干扰,雷达传感器的安装位置一定要远离铁水罐的边缘。利用 VEGAPULS64 雷达物位传感器超小波束角的优势,在避开注料料流的前提下,尽量选择铁水罐的中央位置作为雷达式传感器的安装位置。
          (3) 测量过程中产生的烟气和粉尘只是导致回波信号的振幅稍有降低,由于雷达的波束角度小,聚波性能好,测量回波的振幅很强,对测量也未产生任何影响。
 
          因此,大家的此次试验充分验证了 VEGA-PULS64 雷达物位传感器应用在敞开式铁水罐铁水液面,以及铁水液面与罐檐的高度差的准确测量的可行性和可靠性,此技术是值得推广的

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