本文结合西门子最先进的LR560型固体雷达料位计的产品特点详述了化工项目中料位计的设计选型和安装要点，并对实际应用效果进行了分析，总结了雷达料位计在石化行业粉体应用中的经验。

在现代化的化工生产中，对于固体料位的连续测量已变得越来越重要。虽然近几年来，国内外各大仪表厂商，都针对塑料粉末和粒子的测量，推出基于各种原理和技术的料位计产品，包括超声波、射频导纳、重锤式、称重式等料位产品。但是，在我们的设计工作中，还是遇到很多业主的反馈，很多解决方案仍不能达到业主的期望。

西门子公司在固体料位测量领域一直处于领导者的地位。除了超声波料位计外，近几年来，先后推出了LR400、LR460和LR260等先进的雷达料位计产品。

新型雷达料位计的原理和特点

西门子公司在2011年5月面对中国市场正式推出了LR560雷达料位计，这款产品拥有多项突破性的技术：首次采用了高达78GHz工作频率，同时也首次在固体雷达料位计上使用平面天线的设计。

微波物位计和超声波物位计一样，也是基于回波测距原理的物位测量方式。不同的是，它是一种电磁波，在传播的过程不需要传输媒介的传递，因此基本上不需要考虑挥发性气体和蒸汽、温度、压力（真空）、甚至粉尘的影响。

微波和所有的电磁波一样在自由空间中是以光速传播的，电磁波到达目标并经反射返回接收器这一来回所用的时间几乎是瞬间的。

图1 西门子推出的78GHz雷达解决方案

超高频技术

在固体雷达的设计上，目前国内外厂家都普遍接受了采用K波段频率作为标准配置。

微波物位计的典型波段为 5.8GHz、10GHz 、24GHz。通常我们称5.8GHz（或6.3GHz）的频率为C波段微波；10GHz的频率为X波段微波；24GHz（或26GHz）的频率为K波段微波。

根据波的特性公式：波的速度=波的频率×波长，高频的微波相对低频的微波而言，具有更小的波长，在倾斜的粗糙的固体表面能够形成更多的发射，使微波测量固体的可靠性也大大地提高了。

另外，由于采用高频率的微波技术，根据雷达天线增益的公式：

其中：η为孔径系数；

D为天线的尺寸；

λ为微波的波长。

可以推出，采用K波段的雷达物位计可以采用较小的喇叭口得到较大的增益值，因此一般24GHz的雷达一般只需要采用4″的喇叭口天线就可以得到非常好的性能，使安装变得更加方便；而采用78GHz的雷达只需要采用2″的天线尺寸就能达到24GHz 6″喇叭口天线的增益(性能)。

FMCW工作原理

FMCW微波物位计采用线性调制的高频信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。

采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得到补偿，这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。采用FMCW的工作原理的雷达物位计的精度、稳定性和可靠性一般都要优于脉冲方式的雷达物位计。

图2 LR560的参数设定界面和回波图形

现场智能回波处理技术

固体料位的测量相较液体测量而言，要更复杂。在液体表面，雷达波的反射通常表现为一种镜面反射；而在固体表面，一般是漫反射；因此造成反射能量的损失要大得多。而且固体的不规则性、不稳定性也给料位的测量带来了很大难度。另外，还会伴随着粉尘浓度的变化，仓体结构尤其是锥形底部造成的多次回波干扰以及固定干扰的影响，增加了固体料位测量的难度。

西门子公司研究了上百万个应用案例，整合出一套称之为“现场智能”（Process Intellegence）的回波处理技术。该技术运用了上百种各种回波处理技术来修正可能存在的各种回波干扰问题。这些技术包括：

TVT回波抑制曲线：抑制各种固体或突变的干扰型号；

多种回波过滤器用于消除毛刺、很窄的、不稳定的回波等干扰；

金属料仓的锥形底部跟踪技术，用于解决在料仓放空时，不会再受到底部的多重回波干扰，造成读数跳变等故障。

选型设计应用

在化工行业中，塑料粉末和塑料粒子的连续料位测量主要的应用不外乎两种：储料仓和过程反应仓。以下介绍新型雷达料位计如何解决几种我们在实际工作遇到的一些问题。

大型储料仓应用实例

某化工厂PE原料仓，总高28m，圆筒金属仓，最大直径约5~6m，锥底结构；测量介质为粉末状PE；过程温度为30~40℃，过程压力0.02MPa，PE粉料密度为1.55g/cm3，介电常数<1.5。

业主曾先后使用过超声波料位计、导波雷达料位计和激光料位计等多家厂家提供的非接触式料位计。当时普遍存在测量不准和故障频繁的问题，都没能达到令人满意的效果。

由于料仓的PE粉末介质密度较轻、介电常数很低，而且由于采用气动输送工艺，粉尘较大，且粉尘具有一定粘性，很容易附着在雷达天线上。在实际应用由于粉尘的积灰影响，导致使用过的雷达料位计测量不准确，维护量较大。

由于原先的设计采用两线制仪表，因此我们向用户推荐使用了LR560雷达料位计。经过半年的试用，该产品在PE料仓的测量趋于稳定、准确，达到令人满意的效果。

图3 塑料立管(左)改为金属加长安装立管

小型中间储料仓应用实例

不锈钢金属料仓，高约5m，顶部为2.5m×2.5m方形，整体呈倒漏斗型。测量介质为FET塑料颗粒，伴有大量粉末，过程温度为85℃，过程压力为常压。

业主原先的设计方案为射频导纳料位计，但是由于射频导纳杆式天线上经常会粘附塑料粉末，需要人工进行清理，后改设计为非接触式固体雷达料位计，以实现免维护应用。

推荐业主采用LR560，安装使用后，客户反映测量不准确：在低料位时，仪表读数跳变严重；在高料位，仪表报警。经过现场检查，发现以下问题：

安装位置离仓壁太近，由于仓壁是倾斜的，雷达波不能射到仓底；料位较低时，回波经过仓壁折射，不能正常反射；

安装立管采用PP塑料材质，导致微波能量在立管损失较大，回波信号太微弱；

正常生产时的物料高位离安装位置近10~20cm，进入雷达料位计的盲区。

经与业主商量，因为仓顶设备较大，加上仓体结构的整体制造问题，不能改动原先的安装位置和立管内径。供应商重新设计加工安装立管(如图3)，不锈钢安装立管呈一定角度，使回波能穿过安装立管“照射”覆盖到仓底部；加长的安装立管，保证即使料位满至仓顶仍能测量。

由于LR560具有极小的波束角（仅4°），使这一方案得以实现，并最终保证的测量的稳定性和可靠性。

过程反应仓应用案例

不锈钢金属圆筒仓，总高2.2m，直径仅为1m，仓内设计锥形分料器，高约1.1m。测量介质为FET粉末(粒)，过程温度高达220℃，进料速度非常快，约在1min内由空仓加满。

我们设计选用了高温型LR560，外加氮风吹扫降温。在实际使用中效果不理想。测量读数不能跟上进料的速度，经常物料溢出，而读数保持不变。

经过现场检查，发现由于业主未提供详细的仓体结构图，在设计选型仪表时，尤其是内部锥体分料器的设计，导致有效测量距离太小（仅1m）；而且仪表安装在圆筒中心位置，正对着锥形分料器的中心顶尖上，在料位较低时，无法准确测量。经过多次调试测试，最终放弃了雷达料位计的方案，改用射频导纳料位计。

小结

西门子LR560是一款性能良好的雷达料位计，能解决化工行业大部分固体物料的连续测量。该产品具有以下特点：

仪表体积、安装尺寸、天线非常小、轻，安装方便。能满足有些安装位置局促的工况。

全部采用不锈钢外壳，满足某些工况对卫生要求较高的要求。

天线采用一种平面天线，相比较以前使用过喇叭口天线、抛物面天线而言，不容易积灰，大大减少了我们的维护量。

软件和界面的设计非常先进。仪表操作面板可以选择中文显示，所有参数都可以通过现场操作面板进行设置，并且可以显示回波图形，甚至还能进行免费的软件升级。

在设计和选型时需要注意以下问题：

微波能穿透非导电物体，因此安装立管必须采用金属导电材质；

安装位置的选择对于测量的结果非常重要；

要充分考虑物料的最高位。任何非接触式料位计都有盲区，必须保证料位高度不能到盲区内；

对于内部结构复杂，体积较小，进出料速度较快，控制精度要求高的应用，在设计时考虑最好采用称重法。但是称重法需要方案设计时就考虑好，否则在后期改造时很难实施。