水泥廠常用的料位計的原理和應(yīng)用

　　水泥生產(chǎn)中的原料、半成品、成品均為粒塊狀或粉狀固體物料，對其進(jìn)行料位測量的場合很多，除生料、煤粉、水泥、混合材庫外，篦冷機(jī)下料、立窯的卸料等工藝環(huán)節(jié)都有應(yīng)用。隨著水泥生產(chǎn)自動化水平和控制系統(tǒng)可靠性要求的提高，料位測量控制的作用日益突出。按生產(chǎn)工藝要求，料位測量裝置有2類，一是極限料位檢測，即料位開關(guān)，一般有上、下限2個檢測點。一旦料面達(dá)到預(yù)先設(shè)定的料位，即發(fā)出控制信號，使喂料或卸料設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動作。二是連續(xù)料位測量，有定時測定和需要時進(jìn)行測定2種工作方式，用于較**掌握料面高度的場合。有時為較好滿足工藝要求，在一個料庫上既設(shè)置連續(xù)測量的料位計又配置固定高度的料位開關(guān)，即2種料位計各司其職互相補(bǔ)充。實際采用的料位計種類很多必須針對不同工藝物料要求、不同料庫選用不同的料位計。本文對水泥廠常用料位計的原理和應(yīng)用進(jìn)行介紹。

　　A、接觸式料位計

　　1、　電容式料位計原理是插入料倉中的電極與料倉壁之間構(gòu)成電容器，當(dāng)倉內(nèi)物料料位變化引起電容量的變化時，通過轉(zhuǎn)換電路得到相應(yīng)的控制信號。因為電容量是連續(xù)變化的，因此該料位計可以用作連續(xù)式料位測量，也可用作料位開關(guān)，作為報警或喂料、卸料設(shè)備的輸入信號。該料位計有造價低、無機(jī)械磨損、安裝和維修方便等特點。傳統(tǒng)的方式是通過調(diào)頻振蕩電路實現(xiàn)電容量到頻率的轉(zhuǎn)換，又經(jīng)限幅放大及鑒頻器的線性化，得到相應(yīng)的電壓或電流信號。若使用一段時間后電極(探頭)上粘有物料，則往往會導(dǎo)致控制器誤動作，現(xiàn)已由傳統(tǒng)的檢測電容量發(fā)展為檢測探頭與倉壁間導(dǎo)納的方式。

　　依據(jù)量程的大小和控制方式的不同，電極設(shè)計成桿(棒)式或鋼纜(重型鋼纜)式，可應(yīng)用于各種料倉?，F(xiàn)在的新型產(chǎn)品為全密封一體化安裝結(jié)構(gòu)，采用射頻振蕩器和數(shù)字集成電路，無運動機(jī)械部件，“數(shù)字標(biāo)定技術(shù)”使得用戶可以在空倉的狀態(tài)下一次完成標(biāo)定，功能齊全、性能可靠、控制及時、顯示直觀。

　　安裝此類料位計時應(yīng)注意選取合適的安裝點，避開下料口;注意信號線的屏蔽和接地，防止干擾。但倉內(nèi)物料溫度、濕度、運動速度的變化以及物料粘掛倉壁和電極等因素的影響，引起電容介電常數(shù)的變化。因此若用作連續(xù)料位檢測其測量精度不高通常用作料位開關(guān)。必須定期檢查探頭和料位開關(guān)動作情況并進(jìn)行校驗。

　　2、阻旋式料位計是一種料位開關(guān)。它也有不同的檢測控制方式，如某產(chǎn)品的基本原理是同步微電動機(jī)經(jīng)減速后，帶動檢測葉片以2.5～5r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)被測物料的料位上升使葉片的轉(zhuǎn)動受到阻礙時，檢測機(jī)構(gòu)便圍繞主軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。此位移首先使一個微動開關(guān)動作，發(fā)出有料位信號。隨后另一個微動開關(guān)動作，切斷電動機(jī)電源使其停轉(zhuǎn)。只要此料位不變這種狀態(tài)便一直保持下去。當(dāng)料位下降至葉片失去阻擋時，檢測機(jī)構(gòu)便依靠彈簧拉力使其恢復(fù)原始狀態(tài)。一個微動開關(guān)先動作，接通電動機(jī)電源使其旋轉(zhuǎn)，隨后另一個微動開關(guān)動作發(fā)出無料信號，只要沒有物料阻擋檢測葉片的轉(zhuǎn)動，此種狀態(tài)也將一直保持下去。為防止使用中物料的沖擊，庫側(cè)安裝時應(yīng)在檢測葉片上方的料倉內(nèi)壁上方安裝防護(hù)板;如采用加長軸頂置垂直安裝時，則應(yīng)在軸套外安裝保護(hù)套筒。此種料位開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護(hù)方便多用作粉狀物料料倉的料滿開關(guān)，但不適合高溫下工作。水泥廠常用的料位計的原理和應(yīng)用

　　B、非接觸式料位計

　　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，有塊料、顆粒狀、粉料，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)90年代，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)和核輻射技術(shù)(γ射線)，核輻射技術(shù)因有放射源，在應(yīng)用上受到限制。超聲波技術(shù)近幾年來發(fā)展很快，是目前應(yīng)用*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媒質(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、組分等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(qiáng)的衰減，故至今還沒有測粉倉料位成功的先例。

　　3、γ射線料位計常用作料位開關(guān)。工作原理是在料庫的一側(cè)設(shè)置同位素源在另一側(cè)設(shè)置探測器同位素源向探測器定向發(fā)射γ射線若庫內(nèi)料面低于它探測器檢測得出料空信號;若庫內(nèi)料面高于它則物料遮擋、吸收γ射線探測器檢測得出料滿信號。依據(jù)料倉的形狀和工藝要求，γ射線料位計可安裝在不同的位置。它是非接觸式測量，常用于工作環(huán)境惡劣的大型混凝土料庫，如水泥熟料庫。此時，要求所用的同位素源強(qiáng)常用Co60源源強(qiáng)達(dá)50～100mCi。γ射線料位計還廣泛用在立窯的卸料料封控制上。γ射線被管中的熟料所吸收探測器發(fā)出料滿信號啟動下面的卸料電振機(jī)。此時γ射線料位計的同位素源常用源強(qiáng)較低的且半衰期很長的Cs137源。水泥廠常用的料位計的原理和應(yīng)用

　　它還可以用作窯尾預(yù)熱器防堵的料位報警或者選粉機(jī)下料管的鎖風(fēng)。因有時接收器靠近熱源，易導(dǎo)致信號失真和儀器壽命縮短，因此在高溫環(huán)境工作時應(yīng)重視冷卻問題。它的特點是日常運行維護(hù)工作量小，操作簡單，但也存在γ射線料位計放射源污染環(huán)境，放射源的衰減使料位控制不可靠等不足。

　　4 、雷達(dá)料位計90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3×108m/s如設(shè)頻率為5.8GHz在大氣中波長約為52mm，其穿透力強(qiáng)，傳播速度不受粉塵、蒸汽及介質(zhì)組分的影響，傳播衰減也很小;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**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。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。

　　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，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，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(qiáng)了回波的信號。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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。

　　雷達(dá)料位計的選型 a、脈沖型雷達(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)中主要采用了該種脈沖型雷達(dá)。 b、顆粒狀物料的選型　　在水泥廠原料大多是顆粒狀物料，個別是塊料，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(qiáng)，**度更高(±0.2%～±1%F.S)。 c、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。在庫里的粉料表面極為疏松，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 蘭的帶有號角天線的非接觸型雷達(dá)料位計，還可把纜繩既當(dāng)天線又作導(dǎo)波管，合二為一，微波脈沖從探頭發(fā)出后沿纜繩傳播，當(dāng)脈沖遇到物料表面時會被反射回來，其量程可達(dá)35m，被測物料的介電常數(shù)ε*低為1.6另外纜繩的耐磨和忍受的*大下拉力，能滿足水泥廠各類粉料庫的檢測要求。目前已有許多水泥廠用纜式雷達(dá)料位計測量均化庫、水泥庫和粉煤灰?guī)斓牧衔唬〉幂^好的效果，

　　目前的雷達(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)場總線數(shù)字通信功能，和計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接非常方便，既可在現(xiàn)場調(diào)試，也可用PC機(jī)在控制室調(diào)試，如組成FCS系統(tǒng)還可在操作員站調(diào)試。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，現(xiàn)有雷達(dá)料位計在品種、**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。