CN107502693A - 一种机电分离的高炉雷达扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机电分离的高炉雷达扫描装置，属于高炉料面监测技术领域。目的是提供一种机电分离的高炉雷达扫描装置，将扫描雷达的机械运动结构与射频源及信号处理模块等电子元器件相隔离，以达到雷达天线扫描测量过程中射频源与信号处理板能够稳定运行的目的。高炉雷达扫描装置，包括雷达天线、天线喇叭、电机、射频同轴电缆、信号处理板模块，所述雷达天线连接天线喇叭，电机用于驱动雷达天线及天线喇叭往复摆动，雷达天线与信号处理板模块通过射频同轴电缆连接。

Description

一种机电分离的高炉雷达扫描装置

技术领域

本发明提供了一种机电分离设计的高炉雷达扫描装置，特别涉及到高炉料面监测领域中。

背景技术

钢铁工业是国家工业发展的重要的基础部门，是发展国民经济与国防建设的物质基础。高炉炼铁是钢铁工业系统中最重要的环节之一，但由于高炉炼铁是一个封闭的、不断添加炉料的连续冶炼过程，长期以来高炉冶炼生产状态下的高炉料面监测一直是一个难题。而采用先进技术，准确测量高炉内部生产状态下的料面变化情况，在一定程度上能够反映高炉内部的冶炼状态，从而指导现场操作人员优化高炉生产过程参数，对于提高高炉冶炼质量、降低冶炼燃料比、减少能源消耗和污染物的排放有着十分重要的意义。

由于高炉内部的高温、高压、强粉尘的恶劣环境，目前国内各大钢铁公司逐渐采用了雷达微波测量的方式来监测高炉内部料面的变化情况，主要包括两种：雷达探尺和多点阵列雷达。

雷达探尺采用高频微波脉冲信号对高炉料面实时测量，高频脉冲信号具有方向性好、抗干扰能力强、非接触以及实时在线测量等特点，但是目前所采用的单点雷达探尺只能测量料面单点高度变化信息，不能得出整个料线的形状变化。

多点阵列雷达利用在高炉顶端的不同位置开多个雷达探测孔，每个探测孔安装一个测距雷达。而根据高炉的大小以及高炉正常生产的炉况变化情况决定开孔数量，在不影响高炉炉体强度和高炉使用寿命的前提下尽可能保证所测点数能够大致仿真出高炉料面的形状。但由于多点雷达即在高炉顶部安装多个单点雷达对整个料面的多个测量点进行实时监测，缺点是高炉顶部打孔过多，且无法在高炉顶部的一条径向上安装多个雷达，从而无法测量一条径向上的料面变化情况。

中国专利CN201320863024.0《一种高炉雷达探尺系统》发明了一种安装在高炉顶部的高炉雷达探尺系统，通过将微波的发射器和接收器与高炉内部环境隔离，解决了粉尘遮挡发射源的情况，实现了高精确度的非接触式测量。但是由于其只能实时监测高炉内部某一个测量点的料面高度变化情况，无法探测整体的料面变化情况。

中国专利CN201210454360.X《一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置》，利用MIMO雷达的稀疏天线阵列以及近场高分辨率成像算法来得到高炉内整个料面的三维信息。但其成本过高，天线阵列获取雷达回波信号的处理时间较长且近场高分辨成像算法较为复杂无法满足高炉现场实时监测的需求。

中国专利CN201210404903.7《一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置》提出了一种基于万向球云台的高炉三维料面检测装置。可以让雷达天线深入到高炉内部，通过天线的移动加旋转实现对高炉料面全覆盖的微波扫描与三维成像。但由于其雷达的发射器与接收器安装在天线顶端，随天线的扫描运动而往复运动，增加了系统的故障率。且由于发射器与接收器密闭在套筒内部，无法实现雷达的实时在线维护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机电分离的高炉雷达扫描装置，将扫描雷达的机械运动结构与射频源及信号处理模块等电子元器件相隔离，以达到雷达天线扫描测量过程中射频源与信号处理板能够稳定运行的目的。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案为，机电分离的高炉雷达扫描装置，包括雷达天线、天线喇叭，所述高炉雷达扫描装置还包括电机、射频同轴电缆、信号处理板模块，所述雷达天线连接天线喇叭，电机用于驱动雷达天线及天线喇叭往复摆动，雷达天线与信号处理板模块通过射频同轴电缆连接。

进一步的，所述高炉雷达扫描装置还包括套筒主体及套筒盖，雷达天线设置在套筒主体内部，天线喇叭设置在套筒主体外部，伸向高炉内部，所述套筒盖内设有电子保护腔，信号处理板模块设置在电子保护腔内，信号处理板模块的屏蔽网线及电源线从套筒盖上穿出。

雷达系统的机电分离设计的结构包括射频源及信号处理板，以及分离设置的雷达天线，通过一个长度合适的柔性射频电缆穿过套筒盖使射频源与套筒内部的雷达的发射装置相连接，进行高频微波信号的发射与回收，射频源及信号处理板固定不动，电机带动雷达天线摆动扫描测量。

套筒与套筒盖相互配合且独立工作。套筒盖单独设置一个电子保护腔，将射频源与信号处理板固定于电子保护腔中，电子腔与套筒内部完全隔离开，仅通过一个射频电缆与套筒内部喇叭相连，信号处理板的电源及信号线通过穿线孔阀接出；套筒中放置伺服电机与雷达天线，天线通过通道滑块及连接杆与电机相连，随电机的往复运动实验往复摆动扫描测量。

进一步的，所述电机通过电机固定支架固定在套筒内部，电机输出端通过滑块及连接杆连接雷达天线。

进一步的，所述套筒盖上设有电子腔盖、漏气检测装置、穿线孔阀。

进一步的，所述射频同轴电缆穿过套筒盖底部后连接信号处理板模块，所述射频同轴电缆穿过套筒盖底部的位置设有封环及堵塞接线棒。在套筒盖底部穿孔处安装封环及堵塞接线棒，以确保在同轴电缆随天线往复摆动过程中不会造成漏气现象。

接线座堵塞与漏气监测双重保险装置。套筒盖中雷达信号与套筒中雷达天线通过一根射频电缆相连接，射频电缆通过套筒盖底部的接线座引入到套筒内部，因此需要加装接线座堵塞棒与封环装置，将接线处完全封闭，以确保套筒与套筒盖之间不会相通；同时，在套筒盖顶端加装漏气检测装置，实时检测套筒冷却保护盖中的是否存在气压、气流变化，以防止套筒中存在漏气现象，为雷达系统的生产在线维修提供安全保障。

进一步的，所述高炉雷达扫描装置还包括水冷装置，所述水冷装置包括套筒盖水冷装置及套筒主体水冷装置。

进一步的，所述套筒盖水冷装置及套筒主体水冷装置均包括水冷腔、进水管及出水管。

采用双重水冷装置来保证雷达电子元器件及天线正常工作。由于雷达套筒直接焊接在高炉炉体上，使得套筒内部环境温度极易受到高炉内部的高温影响，因此在套筒外壁设置一个循环水冷腔，循环供水以降低套筒内部温度；此外，由于射频源及信号处理板放置在密闭的电子腔中，无法散热且易收到环境温度的影响，因此在套筒盖电子保护腔外壁同样设置一个循环水冷腔，进出水管装配在盖子顶端，“低进高出”保证冷却水流经整个电子腔壁，从而起到降低电子腔体内环境温度的作用。两重水冷装置同时开启，为雷达测量系统提供一个稳定且正常的工作环境。

进一步的，所述高炉雷达扫描装置还包括氮气吹扫装置，所述氮气吹扫装置包括进气管、出气口及两个金属软管，出气管连通套筒腔体，两个金属软管分别连通雷达天线的波导管及天线喇叭，吹扫波导管内壁以及喇叭内壁防止积灰。

采用三重氮气吹扫装置。由于高炉内部存在高温、高压及强粉尘的环境，单独的水冷装置往往不能确保雷达系统的工作环境稳定，因此需要增加三重氮气吹扫装置，三重吹扫包括对套筒内部、波导管以及喇叭的吹扫。对套筒内部的氮气吹扫要求提供氮气压力高于高炉炉内压力，以确保套筒内部环境压力高于高炉内部气压，使得炉内粉尘不会进入套筒内部，从而保证套筒内部洁净。同时，由于炉内高强度的粉尘环境，雷达长时间的测量使得粉尘容易附着在天线波导管及喇叭上，从而造成喇叭及波导管的堵塞，影响微波发射的有效性，因此，增加的对波导管和喇叭的氮气吹扫能够持续有效的对波导管及喇叭口进行清洁处理，从而保证雷达信号有效的发射与回收，保证雷达测量系统的可持续运行，提高雷达系统的寿命。

本发明利用射频同轴电缆将射频源与天线发射装置分离开，设计一个机械传动装置与射频电子电路装置相分离的高炉机械摆动雷达测量系统。这个系统通过将射频源及信号处理板从雷达套筒中分离出来，为射频源及信号处理板提供一个稳定、正常的工作环境，实现高炉生产状态下高炉机械摆动雷达长期稳定的实时监测。同时，由于射频源及信号处理板不受雷达套筒限制，实现了高炉生产状态下的机械摆动雷达测量系统的实时在线维护功能。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，本发明提供的机电分离的高炉雷达扫描装置，与现有技术相比，具备以下优点：

在机械摆动雷达系统中采用新型的机电分离式设计。利用射频同轴电缆将射频源与雷达天线部件分离开，发射源置于套筒盖中的电子腔中，雷达天线置于雷达套筒中随电机运动而摆动测量。测量过程中同轴电缆线随天线摆动连续运动，而射频源模块静止在电子腔中，从而降低了摆动过程中射频源的故障率，提高系统的稳定性，同时提供雷达系统的实时在线维护功能，保障了高炉料面实时监测的有效性。

在雷达系统中增加三重吹扫装置。即在雷达测量系统的套筒腔体、天线波导管及天线喇叭安装氮气吹扫装置同时吹扫，且氮气压力要高于高炉内部压力，以保证雷达系统不受炉内恶劣环境的影响，从而保证雷达稳定长期的运行。

在雷达系统中增加双重水冷装置。即对套筒主体与套筒盖同时安装水冷装置。套筒主体水冷装置用于降低套筒内部环境温度，保障电机及喇叭天线正常运行；套筒盖的水冷装置降低电子腔内的环境温度，以降低射频源及信号处理电路板工作的环境温度，从而保证雷达测量系统的正常运行。

在传统的雷达测量天线的基础上将喇叭上移。即喇叭内部的开口上移至万向节内部，从而缩短波导管的长度，减小了微波信号在波导管传输中的损耗，从而进一步的提高了回波信号的强度，保障了雷达测量系统的准确性。

附图说明

图1是雷达扫描系统的结构图；

图2是雷达扫描系统的套筒装配图图；

图3是雷达扫描系统的套筒盖装配图；

图4是雷达扫描系统内部剖面图；

图5是喇叭上移的内部剖面图。

[主要元件符号说明]

1、套筒盖；2、电子腔盖；3、套筒主体；4、穿线孔阀；5、天线喇叭；6、进水管；7、出水管；8、水冷腔；9、漏气监测装置；10、信号处理板模块；11、堵塞接线棒；12、堵塞接线棒；13、射频同轴电缆；14、电机；15、电机固定支架；16、滑块及连接杆；17、雷达天线；18、进气管；19、进水管；20、出水管；21、水冷腔；22、金属软管；23、电源线；24、波导管；25、万向节；26、喇叭口；27、波导管吹气孔；28、通气固定环。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，为整个雷达扫描测量装置的系统结构图，主要分为两个模块：套筒主体3和套筒盖1。电机及机械扫描装置放置在套筒内部，射频源及信号处理板放置在套筒盖1的电子保护腔中，从而实现机械扫描雷达的机电分离设计。其机械分离结构如图2、图3所示，图2为套筒盖，图3为雷达套筒主体。

雷达扫描系统内部剖面图如图4所示，电机14经由电机固定支架15固定在套筒内部，在雷达扫描测量过程中，电机14往复摆动，从而通过滑块连接杆16带动雷达天线17及天线喇叭5进行往复摆动测量，天线发射、回波信号通过一个柔性射频同轴电缆13连接到射频源通过DSP信号线及信号处理板模块10中，由信号处理板控制射频源发射及接收雷达信号，并对回波信号进行初步处理，处理后的差频信号及电子电路的电源信号通过屏蔽网线与电源线23经过穿线孔阀4传输出来，从而获得机械摆动雷达的实时扫描数据。由于射频电缆会随天线的往复扫描会进行往复摆动，因此在电缆穿过套筒盖底部时安装封环及堵塞接线棒12，对穿孔处进行密封处理，以确保套筒主体与套筒盖相互隔离。为确保套筒盖与套筒主体完全隔离，在套筒盖的顶端安装一个漏气监测装置9，若监测到有漏气现象，则说明套筒内部密闭不够完全，应待高炉检修休风后才能开盖检修。若无漏气现象，则直接打开电子腔盖2进行在线检修即可。

以上就是一个扫描雷达在进行机电分离后的摆动扫描测量及信号传输的具体过程。

除上述机电分离式的机械摆动扫描雷达的检测外，由于套筒直接焊接在高炉炉体上，还需要双重水冷装置：套筒主体水冷及套筒盖水冷。套筒盖外围装有用于水冷的水冷腔8，在生产过程中，高炉水冷系统中的循环水通过进水管6流进水冷腔中，流经整个套筒盖的水冷腔后经由出水管7流出。整个套筒盖水冷系统采用“低进高出”的冷却体系，以保证冷却水流经整个电子腔的外围空腔，最大程度上提高了水冷效果。同时，在套筒主体焊接部分同样装有水冷腔，冷却水由进水管19流进水冷腔中，经由出水管20流出，以降低套筒内部电机及机械摆动部分的环境温度。

在实施过程中，还需要根据高炉内部压力及炉况变化安装三重氮气吹扫装置：套筒内部吹扫、波导管吹扫以及天线喇叭吹扫。首先，氮气经由进气管18充入到套筒内部，在套筒内部一分为二，向上充入到套筒腔体中。同时，要求根据生产状态下的高炉内部压力，需要调节吹扫氮气的压力，使得套筒内部压力大于高炉内部，保证高炉内部粉尘不会进入到套筒内部，从而达到吹扫冷却以及保护套筒内部洁净的目的。氮气进气管向下分为两个接口，分别接入两个金属软管22。如图5所示，万向节25固定在固定法兰上，上方为套筒内部环境，下方为高炉内部环境。一根金属软管接到波导管吹气孔27从而实现对波导管24的氮气吹扫；另一根金属软管穿过固定法兰接入到喇叭上的通气固定环28上，从而实现对整个喇叭内部的吹扫。

在实际高炉生产应用中，由于炉内环境恶劣，雷达回波较弱，而长波导管极大的增加了微波在波导管内的损耗，因此本发明尝试将喇叭口26上移，将传统雷达的喇叭口由天线喇叭接口处上移至万向节部分，以达到缩短波导管24的目的，从而有效减小了微波信号在波导管内部的损耗，为提高雷达信号质量及测量精度提供了有力的支持。同时，由于喇叭口上移，在保证天线喇叭增益相同的条件下，缩短了喇叭深入高炉内部的长度，同样可以减小高炉内部复杂机械结构对雷达信号的影响以及高炉内部强粉尘对雷达喇叭的附着情况，为雷达系统长期稳定的运行提供了保障。

本发明不限于套筒与套筒冷却保护盖的腔体设计，对于将机械摆动雷达的射频源及信号处理系统外接至套筒外部同样也适用，其根本在于利用长度合适的射频同轴电缆将雷达的机械摆动扫描装置与电子电路装置分离，以保证电子电路装置不受雷达连续摆动测量的影响。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机电分离的高炉雷达扫描装置，包括雷达天线、天线喇叭，其特征在于，所述高炉雷达扫描装置还包括电机、射频同轴电缆、信号处理板模块，所述雷达天线连接天线喇叭，电机用于驱动雷达天线及天线喇叭往复摆动，雷达天线与信号处理板模块通过射频同轴电缆连接。

2.如权利要求1所述的机电分离的高炉雷达扫描装置，其特征在于，所述高炉雷达扫描装置还包括套筒主体及套筒盖，雷达天线设置在套筒主体内部，天线喇叭设置在套筒主体外部，伸向高炉内部，所述套筒盖内设有电子保护腔，信号处理板模块设置在电子保护腔内，信号处理板模块的屏蔽网线及电源线从套筒盖上穿出。

3.如权利要求2所述的机电分离的高炉雷达扫描装置，其特征在于，所述电机通过电机固定支架固定在套筒内部，电机输出端通过滑块及连接杆连接雷达天线。

4.如权利要求2所述的机电分离的高炉雷达扫描装置，其特征在于，所述套筒盖上设有电子腔盖、漏气检测装置、穿线孔阀。

5.如权利要求2所述的机电分离的高炉雷达扫描装置，其特征在于，所述射频同轴电缆穿过套筒盖底部后连接信号处理板模块，所述射频同轴电缆穿过套筒盖底部的位置设有封环及堵塞接线棒。

6.如权利要求2所述的机电分离的高炉雷达扫描装置，其特征在于，所述高炉雷达扫描装置还包括水冷装置，所述水冷装置包括套筒盖水冷装置及套筒主体水冷装置。

7.如权利要求6所述的机电分离的高炉雷达扫描装置，其特征在于，所述套筒盖水冷装置及套筒主体水冷装置均包括水冷腔、进水管及出水管。

8.如权利要求2所述的机电分离的高炉雷达扫描装置，其特征在于，所述高炉雷达扫描装置还包括氮气吹扫装置，所述氮气吹扫装置包括进气管、出气口及两个金属软管，出气管连通套筒腔体，两个金属软管分别连通雷达天线的波导管及天线喇叭，吹扫波导管内壁以及喇叭内壁防止积灰。