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作者：丁振杰
摘要：本文通過(guò)介紹西門(mén)子公司新一代的固體型雷達(dá) -- Sitrans LR460成功解決山東魏橋鋁業(yè)氧化鋁粉料倉(cāng)的料位測(cè)量難題，并總結(jié)比較了各種物位測(cè)量技術(shù)在氧化鋁粉料倉(cāng)的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：百米量程 氧化鋁粉料倉(cāng) 雷達(dá)液位計(jì) 連續(xù)調(diào)頻(FMCW) 雙核處理器
一、背景
山東魏橋鋁業(yè)是目前規(guī)劃中亞洲最大的氧化鋁單體項(xiàng)目。2006年8月，西門(mén)子公司一流的產(chǎn)品解決方案和服務(wù)態(tài)度贏(yíng)得魏橋鋁業(yè)的贊賞，一舉獲得了近千臺(tái)的以雷達(dá)物位計(jì)為主的物位儀表訂單，該訂單也是目前西門(mén)子公司歷史上最大的物位儀表訂單。
二、挑戰(zhàn)
魏橋鋁業(yè)最早在2005年底建成的第一條氧化鋁生產(chǎn)線(xiàn)上已經(jīng)大規(guī)模的使用了Sitrans LR400固體型雷達(dá)。Sitrans LR400在鋁土礦原料倉(cāng)、石灰石料倉(cāng)等位置使用效果一直非常理想，通過(guò)和其他公司的比較，用戶(hù)對(duì)Sitrans LR400的性能也非常滿(mǎn)意。唯有在成品氧化鋁粉料倉(cāng)的物位測(cè)量這一應(yīng)用，用戶(hù)反映測(cè)量測(cè)量信號(hào)不是很準(zhǔn)確，甚至?xí)䴖](méi)有不會(huì)信號(hào)。
出于維護(hù)用戶(hù)利益的角度考慮，西門(mén)子派出有經(jīng)驗(yàn)的服務(wù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試跟蹤，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)氧化鋁粉塵揚(yáng)起非常大的時(shí)候，LR400的回波信號(hào)非常微弱，很容易造成回波丟失；而在氧化鋁粉塵不是很大時(shí)，回波信號(hào)還是比較理想的。
由此判斷，氧化鋁粉末對(duì)雷達(dá)波的影響非常大。雖然用戶(hù)也想方設(shè)法進(jìn)行了各種除塵處理，但是回波信號(hào)丟失的現(xiàn)象還是偶爾會(huì)出現(xiàn)而影響正常生產(chǎn)。雖然最終用戶(hù)對(duì)這一使用效果也表示能夠接受，但是這種結(jié)果對(duì)于西門(mén)子儀表部來(lái)說(shuō)，是很難接受的，何況當(dāng)時(shí)Sitrans LR400應(yīng)用在各種粉料料倉(cāng)的物位測(cè)量中，一直都是非常成功的。
我們仔細(xì)地分析了氧化鋁粉末倉(cāng)的工藝難點(diǎn)：
1、 氧化鋁粉末非常細(xì)，而且有一定的粘性，很容易造成粘附和掛料，因此采用接觸式物位測(cè)量法，會(huì)導(dǎo)致維護(hù)量非常高；
2、 氧化鋁粉塵介電常數(shù)非常高，因此會(huì)在雷達(dá)波信號(hào)傳播的過(guò)程造成很強(qiáng)地干擾而使之嚴(yán)重衰減；
3、 氧化鋁粉所堆積的料面形狀比較復(fù)雜，傾斜角有時(shí)候會(huì)很大，而且變化也較大。
為了解決這一難題，我們查閱了大量文獻(xiàn)資料和其他氧化鋁廠(chǎng)的使用業(yè)績(jī)，并作了比較研究，（見(jiàn)附表），發(fā)現(xiàn)居然沒(méi)有非常理想的解決方案能夠很好地解決這一難題。
纜式導(dǎo)波雷達(dá)是應(yīng)用在氧化鋁粉料倉(cāng)測(cè)量較為廣泛的一種技術(shù)。但是可能由于可靠性和測(cè)量值可信度較差，很多用戶(hù)在廠(chǎng)商的建議下，普遍使用2~3套物位儀表測(cè)量同一個(gè)料倉(cāng)作為比對(duì)和冗余，防止在一臺(tái)表“癱瘓”時(shí)也能保證連續(xù)工作 – 這也大大增加了用戶(hù)的投資。但是，嚴(yán)重地掛料問(wèn)題導(dǎo)致導(dǎo)波雷達(dá)天線(xiàn)上由于掛料而造成高料位虛假信號(hào)，甚至完全失波。為了保證導(dǎo)波雷達(dá)的使用，就需要大量維護(hù)工作。還有一些用戶(hù)也經(jīng)歷過(guò)導(dǎo)波雷達(dá)鋼纜會(huì)拉斷的事故。甚至有些氧化鋁廠(chǎng)的用戶(hù)提出：“我們要不斷的開(kāi)拓自己的思路，既然雷達(dá)無(wú)法改變，那我們就讓測(cè)量環(huán)境和條件來(lái)適應(yīng)雷達(dá)吧。”我們認(rèn)為自動(dòng)化儀表應(yīng)該是為人服務(wù)，而不是人為儀表服務(wù)!
當(dāng)然還有一些用戶(hù)不得以只能冒著“埋錘”的風(fēng)險(xiǎn)采用重錘式料位計(jì)，有些用戶(hù)反映幾乎每年都需要重新買(mǎi)一臺(tái)，而且對(duì)操作工人作專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)和技術(shù)規(guī)范，使用成本非常高。
而采用非接觸雷達(dá)使用成功的案例幾乎找不到。我們同時(shí)也向西門(mén)子生產(chǎn)廠(chǎng)總部提出了技術(shù)支持，結(jié)果竟發(fā)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)，幾乎沒(méi)有使用LR400或其他物位測(cè)量技術(shù)成功的案例。
但西門(mén)子物位計(jì)的目標(biāo)是：使用它，就不需要關(guān)心它。為每一個(gè)用戶(hù)享受真正免維護(hù)使我們的追求。
三、解決方案
2006年年底，Sitrans LR460即將推向市場(chǎng)，我們仔細(xì)地研究了LR460這個(gè)產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)這個(gè)產(chǎn)品采用很多新的技術(shù)和提供了比LR400更高的性能。它是在Sitrans LR400的成功基礎(chǔ)上研發(fā)而成的，因此議標(biāo)的外觀(guān)和基本性能保持了LR400的優(yōu)良血統(tǒng)：
采用了24GHz K波段高頻率信號(hào)；
采用可靠的FMCW(連續(xù)調(diào)頻)工作原理；
四線(xiàn)制供電保證最大的功率；
集成了標(biāo)準(zhǔn)配置的瞄準(zhǔn)器；
采用紅外線(xiàn)手操器進(jìn)行操作調(diào)試，方便安全；
過(guò)程溫度最高可達(dá)200℃；
最小至8º的波束角，可以有效避開(kāi)各種障礙物形成的干擾；
特長(zhǎng)的喇叭口設(shè)計(jì)，可以使用延長(zhǎng)管延長(zhǎng)喇叭口長(zhǎng)度，以解決一些倉(cāng)頂特別厚的應(yīng)用等。
除此之外，LR460還具備了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越LR400的性能：
長(zhǎng)達(dá)100m的量程，而天線(xiàn)僅采用最大4”的喇叭口，使安裝更方便；
極高的信噪比，是回波信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他雷達(dá)（如圖3）；
首次采用高頻率的雙核處理芯片分別處理回波信號(hào)和通訊控制用途，大大提高了儀表的穩(wěn)定性和可靠性；
集成了新研發(fā)的“現(xiàn)場(chǎng)智能”回波處理技術(shù) – 源于聲智能的一種更先進(jìn)的處理技術(shù)；
……
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圖4：LR460在氧化鋁粉倉(cāng)上工作
| 這款被西門(mén)子寄予厚望的高性能固體型雷達(dá)物位計(jì)所提供的完美的性能描述讓我們覺(jué)得或許Sitrans LR460能夠解決好這一難題 – 或許LR460超強(qiáng)發(fā)射信號(hào)能夠克服氧化鋁粉塵的影響而進(jìn)行穩(wěn)定可靠測(cè)量？
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圖5：產(chǎn)品專(zhuān)家在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試
| 在和西門(mén)子物位儀表生產(chǎn)廠(chǎng)商量后決定提供一臺(tái)Sitrans LR460在氧化鋁粉料倉(cāng)上作料位測(cè)量測(cè)試。儀表到現(xiàn)場(chǎng)后，立即被安排到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝測(cè)試（如圖4）。對(duì)于這個(gè)測(cè)試，西門(mén)子加拿大生產(chǎn)廠(chǎng)方面也非常重視，安排雷達(dá)產(chǎn)品專(zhuān)家到現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助調(diào)試（如圖5）。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的安裝調(diào)試后，LR460的測(cè)試結(jié)果要明顯比原來(lái)的LR400好很多。從回波圖形上來(lái)看，在同樣的測(cè)量點(diǎn)LR460的回波信號(hào)要比LR400強(qiáng)地多，最大程度地保證了測(cè)量讀數(shù)的穩(wěn)定可靠（如圖6）。
測(cè)試結(jié)果西門(mén)子公司、代理商和最終用戶(hù)魏橋鋁業(yè)都感到很滿(mǎn)意。當(dāng)然能夠幫助用戶(hù)解決應(yīng)用難題，也是西門(mén)子的責(zé)任。
LR460回波信號(hào)明顯增強(qiáng)
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圖6：LR400和LR460在氧化鋁倉(cāng)應(yīng)用作比較測(cè)試
左圖為LR400回波圖形，回波信號(hào)非常微弱；右圖為LR460回波信號(hào)，回波信號(hào)明顯 |
四、結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
這臺(tái)試用的LR460在使用了2~3個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，信號(hào)一直非常問(wèn)題，讀數(shù)準(zhǔn)確，用戶(hù)對(duì)此評(píng)價(jià)也非常高。之后，用戶(hù)陸陸續(xù)續(xù)采購(gòu)了將近40~50臺(tái)LR460用于替換氧化鋁粉料倉(cāng)上的物位計(jì)。
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