西门子导波雷达物位计在钢铁厂中的应用

1. 概述

在科技日新月异的今天，物位测量技术已经从最初的重锤、投尺等传统的机械式测量方式(图1)发展为包含雷达、核辐射等高技术含量的测量技术，覆盖了工业生产中的绝大多数物位测量需求，核辐射技术因为其特殊性，应用范围有其局限性，在此不作赘述，而原先由军用雷达发展而来的雷达物位测量技术正日益成为物位测量的主流趋势。

所谓的雷达测量技术包含两种：微波雷达(非接触式)以及导波雷达，其中微波雷达技术随着成本的降低和在诸多苛刻工况应用中的优异测量效果得到广大用户的认可，但这并不意味着微波雷达技术就是一种万能的测量技术，可以测量所有的介质；相对而言，全新的导波雷达技术(Guide Wave Radar)恰恰弥补了微波雷达的不足之处。

2. 雷达技术比较及导波雷达的原理

顾名思义，微波雷达物位计指通过空间发射、传播和接收电磁微波的物位测量仪表(图2)，导波雷达则是通过某一种形式的波导体来传导、发射和接收电磁微波的、物位测量仪表。

　　微波雷达仪表测量物位具有以下优点：

1、不与介质接触；

2、高频电磁波信号易于长距离传送，可测大量程；

3、不受空间气相条件变化的影响

　　微波雷达通过发射和接收高频(GHz)级电磁波，计算电磁波达到物位表面并反射回到接收天线的时间来进行物位测量，而电磁能量的传送不易受到传播空间性质的局限性，它可以在高/低压(真空)或具有汽化介质的条件下传播，并且气体的波动亦不影响电磁波的传播。

　　普通微波雷达物位测量仪表天线的辐射能约为1mW，是一种微弱的信号，当这种信号在空气中传播时，能量衰减较快，当微波信号到达物位表面并反射时，信号强度也就是振幅，与介质的介电常数有直接关系，介电常数非常低的非导电类介质，如烃类液体，反射回来的信号非常弱，这种被削弱的信号在返回至安装于罐顶部的接收天线的途中，能量又进一步衰减，微波雷达物位计接收到的返回信号能量大致只有发出信号能量的1% !当用于上述条件介质，接触式微波雷达物位仪表的性能指标会有所降低甚至无法正常使用。

　　为了弥补接触式雷达物位计的这些不足之处，导波雷达物位仪表应运而生，导波雷达的工作原理与前述雷达非常相似，GWR的基础是电磁波的时域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS 等时采样原理。多年来TDR一直被用于检测发现埋地电缆和墙内埋设电缆的断头。

图3 导波雷达测量原理图

　　测电缆断头时，TDR发生器发出的电磁脉冲信号沿电缆传播，到达断头处就会产生测量反射脉冲(图3)；同时，在接收器中预先设定的与电缆总长度相应的阻抗变化也引发出一个基准脉冲，将反射脉冲与基准脉冲相比较，可精确定位断头的位置。将该原理用于物位测量时，TDR发生器每秒中产生数十万个能量脉冲沿波导体传导，当到达介质表面时，产生一个物位反射原始脉冲；与此同时在探头的顶部预设一个定值阻抗，用以产生一个可靠的基准脉冲，该脉冲又称为基线反射脉冲。雷达物位计检查到物位反射原始脉冲，并与基线反射脉冲相比较，从而得到物位测量的数值，这就是导波雷达物位仪表的工作过程。

　　ETS等时采样原理用于测量高速、低功率的电磁信号，是基于TDR 的液位测量技术应用的关键。众所周知，高速的电磁信号短距离的测量是很困难的，ETS实时捕捉电磁信号(UIS)，并且在等值的时间里重新构造它们，以利于更好使用先进的技术测量。

物位测量技术发展到今日，已出现许多种成熟可靠的物位测量仪表，以其不同的性能和特定的适用范围在不同条件的液位测量中发挥着重要的作用：压力/压差测量液位法；射频导纳/电容液位计；超声波液位计和浮筒液位计等都已在工业上有了数十年的成功使用经验，但导波雷达液位计以其具有明显的使用优点及性能更加引起大家的关注：

1) 能耗低。GWR输出到波导探头的信号能量小，约为非接触式雷达发射能量的10%。这是因为波导体为信号至介质表面传播提供一条快捷高效的通道，信号的衰减保持在最小程度。

2) 能量强。由于信号在波导体中传输不受液面波动和储罐中的障碍物等的影响，因而仪表所接收到的返回信号能量相应较强，约为所发射能量的20%。

3) 范围广。基于上一特性，对于低介电常数的介质导波雷达拥有令人满意的表现，以西门子LG200产品(图4)为例，其可测的最低介电常数竟为1.4!　　

4) 介电常数的变化对测量性能无影响。信号自烃类(介电常数2~3)液体表面或水(介电常数80)反射的时间一样，不同的只是信号幅度的差别，微波雷达需考虑介质进而经过筛选才可得到准确测量值，假定接收信号强度改变，信号的筛选就会受到影响；导波雷达由于能量集中可避开诸多干扰则无此顾虑。

5) 密度的变化对测量无影响。介质密度的变化影响浸没于介质中物体所受到的浮力，但不影响电磁波在波导体中的传播。

6) 介质在探杆/缆上的挂料对物位测量的影响极小。挂料有两种：膜状和搭桥，膜状挂料是在料位下降时，高黏度介质在探头上形成的一层覆盖，这种挂料在探杆上分布均匀，因此对测量基本无影响；但搭桥挂料的形成却能导致明显的测量误差，因此在选用双杆/缆式导体时，需要谨慎小心，充分考虑到介质的黏度!

3. 西门子导波雷达物位计介绍及其应用

西门子公司作为世界上知名的自动化电气设备供应厂商，在现场测量仪表领域也位居前列！尤其是在原加拿大妙声力仪表公司于2000年并入西门子之后，西门子过程仪表更是在物位测量领域处于领先位置！

2007年，西门子公司秉承全集成自动化(TIA)的理念,隆重推出了全新的导波雷达物位计SITRANS LG200，它是一种用于液体和固体的中短量程物位，物位/界面和体积测量的导波雷达物位计。它不受过程条件改变，高温和高压，蒸汽的影响。具有：

1) 多达16种形式的测量探杆/缆；

2) 精度为2.5mm；

3) 低至1.4的介电常数

3) 高达427°C温度和431Bar压力；

4) 手动按键以及SIMATIC PDM两种方式设置参数.

该产品问市不久即在众人瞩目的首钢京唐项目中一举中标！首钢京唐钢铁联合有限责任公司由首钢总公司联合唐山钢铁集团有限责任公司共同发起，新厂址曹妃甸地处塘沽新港及秦皇岛港之间，拥有渤海湾唯一的天然深水航道。曹妃甸水、电和交通等配套设施齐全，随着2007年底首钢北京地区钢产量压缩为400万吨，曹妃甸新首钢将建成投产。项目建设的主要规模为：原料场、球团系统、烧结系统、焦化系统、炼铁/钢系统、冷轧系统、热轧

系统、供发电系统、供水系统等配套公辅设施，建设规模为980万t/a。产品目标是热轧、冷轧、镀锌、冷轧硅钢等高端板材产品，其中以高强度、超深冲的汽车板、高强度管线钢和结构钢为产品标志，主要满足汽车、机电、家电、建筑及结构、机械等行业对高质量板材品种的需求。

在首钢京唐的项目中，西门子公司的导波雷达物位计SITRANS LG200主要用于现场的水封槽、冷凝槽的液位测量(图6)，在安装施工阶段，他们还派出了专业的技术人员进行技术指导，这款产品简便的参数设置易于操作，便捷的安装方式得到了我们项目现场使用人员的认可，自今年4月份安装至今西门子公司的产品LG200表现稳定可靠！