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利马克(limaco)超高频雷达物位计在PP、PE、PTA等低介电常数料

字号+ 作者:金德测控 来源:北京金德创业测控技术有限公司 2017-05-18 14:12

利马克(Limaco)产品通过强大的技术实力做后盾,拥有独立解决在水泥厂的高粉尘的水泥料位和粉煤灰测量问题的完美技术方案。并得到了广大客户的充分认可。弥补了PP、PE非接触性连续测量的不足


利马克(limaco)超高频雷达物位计

在PP、PE、PTA等低介电常数料仓中的应用

 

摘要:低介电常数下的连续量物位测量,一直是物位测量的重大难题,本文主要详细阐述了Limaco超高频雷达针对这一复杂工况的解决方案。

 

一、概述

PP,PE及PTA是比较常见的生产原材料。PP化学名称—聚丙烯,PE化学名称聚乙烯。其特点:密度小、质量轻、介电常数低、绝缘材质、易起静电、受热均匀。并且PP、PE材质可降解,是现代一种新型的环保型耗材。

 

随着环保意识的日益提高,PP、PE作为新型的、可降解的有机化合物,被人们广泛的认知,并应用于各大行业,例如:食品包装、装修材料、母婴用品、医疗安全、仪器仪表等等。

 

2014年,全球聚乙烯产能将达到1.017亿吨/年,比2013年增长4%。全球聚乙烯产量预计将上升5%,平均开工率预计将升至84.2%,比去年同期高出1个百分点。2014年,全球聚丙烯产能将增长6.5%以上;全球聚丙烯产量也将上升,为4.9%。全球新增聚丙烯产能大部分在中国。由此看来,聚乙烯、聚丙烯的广泛应用将会在一定范围内取代聚氯乙烯。

 

所以,提高聚乙烯,聚丙烯的生产能力和生产自动化水平更是不断的优化生产质量,提高生产效率的重中之重。

就聚乙烯、聚丙烯的生产工艺而言,提高生产效率以及生产工业自动化水平,料位检测问题是最难解决的问题之一,因为聚乙烯,聚丙烯介电常数低,颗粒小,粉尘大等一系列问题,应用普通的雷达物位计产品不能解决目前的生产要求,采用重锤式物位计又有维护困难、故障频发的困扰。我公司和俄罗斯军转民企业LIMACO公司合作,终于找到了可以完全解决聚乙烯、聚丙烯粉料的料位测量问题:由俄罗斯Limaco公司生产的ULM系列雷达。它采用全球首款最高频率135 GHz,在介电常数极低的工况顺利的解决了物位检测困难的难题!

 

另外在Limaco公司和我公司技术人员的不懈努力下,ULM雷达成功实现了基于无线通信协议的远程监控和维护,解决了各种复杂工况的布线难题。保证了现场高效、安全的生产。 ULM系列雷达通过安装特殊的无线通讯设备,使用户足不出户监控生产,方便厂家更新固件和升级产品,可以在全球任何地点对雷达运行情况进行检测、调试。

 

二、聚乙烯、聚丙烯生产工艺描述

 

文本框: 图一:PP、PE生产料仓简图

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虽然生产装置各有差异,但是料仓构造大致相同,现在以图一为例,为大家展示一下在PP、PE的料仓情况。

如左图所示,进料口位于生产料罐的上端,吹气口主要位于生产料罐的下端,起到干燥的作用,生产料罐的出料口位于生产料罐的正下方。

那么,这样的料罐存在哪些测量难题呢?

1、PP、PE的料罐多为多温层储罐,从底部到顶部40—80℃的浮动,介电常数不仅比较低,而且随着温度的变化而发生变化。

2、PP、PE粉末比较轻,进料口进料的时候会产生巨大的粉尘,并且会有很多的悬浮颗粒。

3、吹气口在下边,从下往上吹气,会将PP、PE粉末重新扬起。

 

三、目前PP、PE测量的难题

在上述描述的测量工况环境下,介电常数非常的低,加之以介电常数不断发生变化,导致普通的雷达测量根本不能正常工作。PP、PE材质非常的轻,仓内有大量的悬浮颗粒,导致很多普通的雷达在测量过程中会因为遇到悬浮颗粒而产生误报警。此外,该产品多为粉末,飞起的粉尘颗粒、粉末很容易将普通雷达的喇叭口堵死,要想达到喇叭口不被堵死的情况,就要经常进行清理,甚至要几个小时清理一次,浪费大量的人力成本,生产效率直线降低,最重要的是生产自动化水平严重受阻。一旦测量不准确导致物料外泄,将会带来巨大的经济损失。

 

该工况下的料位测量可以分为接触性的和非接触性的,目前应用较多的测量仪器是重锤物位计,重锤物位计不受粉尘和介电常数的影响,这是它的一大优势,但是故障颇多、埋锤、断绳、定期维护等这些麻烦都让人望而却步。所以接触式物位计很难在料位检测中发挥出色。而非接触式物位计能在如此粉尘巨大的仓应用的只有喇叭口雷达、超声波、射线等。激光物位计无法应用于粉尘大的环境。超声波物位计由于噪音干扰问题,无法穿透粉尘问题等,应用也是很难尽如人意。

常见的普通喇叭口雷达发射频率低,波束角大,要求物料介电常数高,所以在进料时仓内的粉尘使得脉冲雷达波回波十分的微弱。而且由于料面起伏不平,堆积角度的原因,雷达波打射到料面,大量的能量被反射到其他地方。使得雷达能够接收到的能量很微弱。同时由于采用喇叭口设计,具有粘附性的粉末会将喇叭口堵塞,使得仪表丧失测量功能。

所以好多用户和厂商采用万向节法兰使仪表倾斜于料面垂直才能测量,并在喇叭口加装氮气吹扫。即便如此采用各种手段为雷达物位计提供更好的环境,大部分的雷达还是很难稳定、精确的测量。而r射线物位计受环境的影响就相当小了,但是射线对人体的伤害是非常巨大的,虽然仪器仪表上做足了防护措施,但是还是不可避免的有泄漏伤人事故发生,所以使用单位和操作工人对此类仪表排斥严重,而且在平时的维护和检修都需要专业人事维护,所以工作量相当大。

 

四、ULM雷达对于此类复杂工况的完美解决方案

 

1.公司及产品简介

俄罗斯Limaco公司是一家专业从事研发、生产雷达仪表的公司。公司的前身是俄罗斯军事研发公司,公司拥有一支具有高水准的研发创造团队,他们的诸多成果是俄罗斯成为军事强国的基石。进入20世纪90年代后,公司战略转型,成为一家研发工业自动化领域民用公司。依靠公司强大的军事技术基础,公司如今的各项技术都是世界领先的。

ULM系列雷达物位计就是Limaco公司的旗舰产品。拥有世界先进的技术:超高频率135GHz、超高温度测量1000℃、调频技术、超高精度1mm等。广泛的应用在各个领域:食品、化工、钢铁、水泥、能源等。

 

2. 利马克ULM的强大技术支撑

2.1、调频技术

雷达物位计按工作原理来说分为两类,一种是脉冲式雷达,另一种是调频式雷达。

脉冲式雷达物位计工作原理是:物位计天线发射微波脉冲,这个脉冲以光速在空间传播,遇到被测介质表面,其部分能量被反射回来,被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比,从而计算出天线到被测介质表面的距离。

 

距离物料表面的距离D与脉冲的     时间行程T成正比:

333

D=C×T/2

其中C为光速

因空罐的距离E已知,则物位L为:L=E-D

而调频式雷达物位计工作原理是:物位计天线向液面发射经频率调制的电磁波信号,被测表面返回的信号被发射天线接收,并与天线发射的瞬时频率信号比较。

由于信号的频率按照一定规律不断变化,因此比较信号频率与天线到液面的直线距离成比例。

 

 

 

 

两者原理的比较可以看出,脉冲雷达的信号检测是回波必须达到一定的强度,天线才可以检测到,并引起内部电路晶体的震动,从而计算出距离。但是,在粉尘较大,蒸汽较大等恶劣工矿条件下,脉冲雷达的回波强度受粉尘、蒸汽影响有时达不到晶体震动的强度,此时,就会产生众所周知的回波丢失、显示死数、满量程等现象。而调频连续波雷达不是靠检测回波强度来计算距离的,而是比较回波频率的,所以只要有一点点回波,它就可以比较出发射波与回波的频差,从而计算出距离。所以,粉尘、蒸汽等恶劣条件对它的影响几乎可以忽略。

 

可以说调频技术是脉冲技术的一个升级,使得料位计上升到另一个技术层面。无论是从精度、准确度、稳定性都有了大幅提升。调频技术的使用让雷达的响应速率更快,这样即便是高炉的缓冲料斗快速进出料也能够进行测量。同样调频技术的使用也让雷达的测量精度也达到了计量的级别。这样使得雷达在恶劣环境中也能达到更高的测量精度,ULM系类雷达的最高精度可达到1mm。由于众多的技术优势的原因,Limaco公司ULM系列雷达采用调频连续测量技术(FMCW)。

 

 

2)无喇叭口设计

Limaco采用特殊: 1.Horn透镜天线。2.Planar平面天线

Horn透镜天线:

第一、透镜天线的使用优化了传感器,以及波的发射和便于安装,可以安装在孔径比较小工况。

第二、天线是与传感器主体镶嵌在一起的,是一个整体。但也并不是强制镶嵌在一起,主要是通过凸透镜将仓体与传感器隔开。使得传感器免受仓内潮湿气体,灰尘等的干扰,同时也可以防止腐蚀。

第三、Limaco(利马克)雷达传感器有独立的加热系统,同时透镜天线完全位于身体内部,这使得透镜的外表面上的温度,在大多数情况下,是高于环境温度1-2℃。这就是得水蒸气很难在表面凝结。

01

透镜天线

Lens antenna

 

Planar平面天线:

平面天线主要设计在ULM-31A1液位计(ULM4-5级传感器)。使用这种类型天线的传感器采用印刷电路板,有一种特殊材质在特殊环境下制作而成。平面天线具有相当低的生产成本(相对喇叭透镜天线)。但最重要的方面是它的做工非常紧凑而且面特别的平。因此,它的防护等级比较高,完全可防止液体和粉尘进入传感器。此外,该天线的使用使得公司专门为ULM-31A1液位设计了ULM4-5级的传感器,以使得电磁波很好的穿过平面天线。

02

3)超高频率

目前市场上的雷达物位计有很多的进口产品,也有部分国产的雷达。但这些雷达大部分采用的是发射频率6.3~26GHZ的脉冲技术。对于常用的圆锥形喇叭天线来说,微波的频率越高,波束的聚焦性能越好,即波束角小,在实际使用中这是十分重要的,低频微波物位计有较宽的波束,如果安装不得当,将会收到内部结构产生的较多的虚假回波,例如:采用4”喇叭天线的26GHz雷达的典型波束角为8°,而5.8GHz 的典型波束角为17°。并且,微波的频率越高,其喇叭尺寸也可以做的越小,更易于开孔安装。

 

Limaco公司ULM系类雷达采用了目前世界最高的频率:135GHz调频连续波进行测量。因此,在高炉这样复杂的固体介质测量中,如果采用频率较低的雷达测量,其发射的微波频率低、波长比较长,在发射到斜面或者不平的介质上后,会有大量的信号反射到其他地方,使得信号反射回的比较弱,容易形成虚假回波造成错误测量。Limaco的135GHz雷达发送的波长非常短,因此即使是从反应角度非常陡峭的固体上,也可以获得优质的信号反射,同时得到精确的测量值。且由于超高的频率,所以ULM系列雷达的最小波束角为4°,采用特殊的适配器之后,波束角可以减小到几乎和激光一样的1.5°。也是因为超高频率的应用,ULM系列雷达采用透镜天线设计,这也方便了一些特殊场合,无法更改安装位置,现有的安装位置孔径比较小等。

 

4)耐温耐压

ULM系列雷达在像高炉这样的高温环境,像压力容器这样的高压环境有着一套全面的解决方案。不需要各种复杂的机械防护设备,就能够准确的测量料位。

ULM雷达不会采取以往普通雷达探尺的机械防护设备。Limaco公司采用了最新型的复合材料作为法兰夹板材料使用。这种特殊材料的引用让Limaco雷达功能达到最大的发挥。

对于安装方式,我们采用夹板隔开料位计与料仓的方式。

在料仓料位计安装孔安装耐高温法兰底座,上面是上法兰与仪表,中间为耐高温隔板装置。隔板装置采用特殊的安装形式。且根据不同的环境采用不同的材质。隔板材质按压力分,从0~6MPa有不同的型号。耐温也有从65~1600℃不同的型号。

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综述:利马克(Limaco)产品通过强大的技术实力做后盾,拥有独立解决在水泥厂的高粉尘的水泥料位和粉煤灰测量问题的完美技术方案。并得到了广大客户的充分认可。弥补了PP、PE非接触性连续测量的不足。

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