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雷達液位計在酒鋼生產上應用選型研究

作者:張曉東,邵永成 來源:酒鋼集團宏興股份公司檢修工程部,甘肅,嘉峪關 發布時間:2020-05-22 08:56:58
摘 要:雷達液位計是一種非接觸式的物位測量儀表,具有準確度高、測量范圍大、不受溫度、壓力、氣霧和粉塵的限制等優點,適用于各種高溫、高壓、強腐蝕的惡劣環境,但往往由于選型方面的問題,造成雷達液位計測量失準。本文通過著重介紹不同雷達的結構原理以及不同介電常數、不同形態介質、不同天線等多方面的選型原則,從源頭上杜絕選型失誤,提高雷達液位計測量準確性。
 
1 前 言
  雷達液位計是一種新型物位測量儀表,它采用與介質非接觸的測量方式,具有準確度高、測量范圍大、無可動部件、安裝簡單、使用可靠、不受溫度、壓力、蒸氣、氣霧和粉塵的限制,適用于各種高溫、高壓、強腐蝕的惡劣環境 [1],在石油、化工、冶金、水泥等行業得到廣泛應用。尤其適用于大型貯罐、料倉的物位測量,它是通過天線向被測介質表面發射微波,然后測出微波發射和反射回來的運行時間,并經過智能化信號處理而得容器內物位的一種儀表。
  上世紀 80 年代初脈沖雷達(TOF)物位計進入工業化應用,進入 2000 年后出現了更為先進的調頻連續波雷達(FMCW)和導波雷達(TDR),成為過程控制工業罐區物位監測的首選儀表。
 
2 雷達液位計的結構原理與分類
 2.1 脈沖雷達液位計
  脈沖雷達液位計是采用行程時間或傳播時間TOF(time of flight) 測量原理,又稱回波測距原理。它是利用相同頻率的微波,在空間中的傳播時間來進行度量的一種方法。微波在信號源與被測對象之間傳遞,微波到達被測對象后被反射并返回到探頭上被接收,屬于非接觸測距,其頻率一般低于 7GHz。
  天線發射器向距離為 D 的被測物料發射微波,微波來回所經過的時間用 T 表示,可得到距離 D 與時間 T 的關系為:
  D=CT/2 ①
  公式①中:D- 天線到被測介質的距離,m;C- 雷達波的傳播速度,c=3×108m/s;T- 探頭從發射雷達波至接收到反射雷達波的時間,s。
  脈沖雷達液位計的測量方法正是利用①中距離 D 與時間 T 的關系求得距離 D 的。由于微波傳播速度 C 為常數,保持不變。只要測得雷達探頭天線發出的微波到達被測對象后被反射回探頭天線的時間 T,就可得到距離 D[2]。
 
2.2 調頻連續波雷達液位計
  調頻連續波 (FMCW) 雷達的原理為發送具有一定帶寬、頻率線性變化的連續信號,再對接收到的連續信號進行快速傅里葉變換,通過發送與接收信號的頻率差來計算兩個信號的時間差,zui后與三暢脈沖波雷達液位計一樣,由時間差得到對應的距離值。FMCW 雷達能夠獲取很高的精度,其精度主要取決于壓控振蕩器的線性度和溫漂。
  FMCW 雷達通過發射頻率調制的連續波信號,從回波信號中提取目標距離信息。FMCW 分為線性調頻和非線性調頻 ( 如正弦波調頻 ) 兩種。使用非線性調頻方式時,每個目標產生的差拍頻率不weiyi,一般只適用于單目標的場合,如雷達高度計等;線性調頻方式適合于用 FFT 算法測量頻率,應用zui廣。這種方式使每個目標產生的差拍信號都是單一頻率,但其對線性調頻的線性度要求很高,比較常用的調制波形是三角波和鋸齒波,物位儀表常用鋸齒波高頻方式。FMCW 雷達發射和接收信號的原理如圖 1 所示。
發射和接收信號原理圖
  圖 1 中,實線為雷達天線發送信號 ft,虛線為雷達接收信號 fr,B 為信號的帶寬。發射信號的調頻周期 T 要遠大于目標zui大回波時延 td,即信號由天線發送經物料反射,再由天線接收所經的時間 td 比信號期 T 要小得多。發送信號和接收信號由于時延引起頻率的變換它們的頻率差就是差頻信號,可用 fif 表示。顯然差額信號 fif 的大小正比于天線與目標間的距離 R,即:
差額信號 fif 的 大小正比于天線與目標間的距離 R,
公式②中:c- 光速,3×108m/s;T- 信號周期,B 為信號帶寬,均為已知參數。獲得差頻信號 fif的值zui簡單的方法是利用傅里葉變換方法,通過頻譜分析求得 [3]。
 
與脈沖雷達相比,調頻連續波方式測量線路較復雜,從而測量精確度較高,同時干擾回波也較易去除,一般用于較高端的測量方案。
  FMCW 雷達發射的是連續波比脈沖雷達的( 峰值 ) 功率小很多。發射功率小具有以下優點:①電源電壓大大降低,這對于用于油艙內液位測量系統的安全性非常重要;②發射系統便于用固態器件實現,從而使得發射系統尺寸大大減小,可靠性提高;③ FMCW 雷達極寬的信號帶寬使其具有很高的距離分辨率和距離測量精度,以及較強的抗干擾性。
 
2.3 導波雷達液位計
  是一種微波物位計,根據測量能量波運動過程的時間差來確定物位變化的情況。由電子裝置對微波信號進行處理,zui終轉化成與物位相關的電信號 [4]。這里的能量波是脈沖能量波,能量輻射水平低(頻率一般比三暢智能雷達液位計低)。
  導波雷達液位計是依據時域反射原理 (TDR)為基礎的雷達液位計,微波發生器產生的雷達脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播,當遇到被測介質表面時,波導體與被測介質(液體或固體)表面接觸時,由于波導體在氣體中和被測介質中的導電性能大不相同,這種波導體導電性的改變使波導體的阻抗發生聚燃變化,從而產生一個物位反射原始脈沖,并沿相同路經返回到脈沖發射裝置,發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比,經計算得出介質高度。
  另外,高導電性介質(例如水等)液位產生較強的反射脈沖,而低導電性介質(如烴類)產生反射較弱,低導電性介質使得某些雷達波能沿著探頭(波導體)穿過液面繼續向下傳播,直至完全消散或被一種較高導電性的介質反射回來,這就使我們有可能采用雷達物(液)位計測量兩種液體的界面(如油 / 水界面)等。
 
2.4 特性分類
2.4.1 按發射雷達波的頻率分:可分為高頻雷達和低頻雷達。高頻雷達發射的 24GHz 和 26GHz 的高頻微波,根據波的特性:速度 = 波長 × 頻率,我們可以得知 24GHz 頻的微波其波長較 5.8GHz頻段的雷達波的波長要短的多。一般的講,固體料面的形狀是傾斜而且粗糙的,較小的波長可以保證發射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達探頭。因而高頻雷達主要應用于固體介質和大量程場合的測量。低頻雷達發射微波頻率在 5.8~6.3GHz,主要應用于液體介質和小量程場合的測量。
 
2.4.2 按天線的形式分:可分為普通雷達和導波雷達。普通雷達發射的微波通過空間傳播;導波雷達則是通過波導體傳導來發射和接收雷達波。
 
3 技術特點 
  雷達液位計的雷達波發射形式雖然各異,產品結構也有所不同,但它們都有共同的技術優勢和特點。
  ⑴ 雷達液位計測量時發射的雷達波能夠穿透真空,不需要傳輸媒介,具有不受大氣、霧氣、泡沫、粉塵影響的特點。
   ⑵雷達物位變送器采用一體化設計結構,無可動部件,不存在機械磨損,運行穩定,使用壽命長。
  ⑶ 測量準確度高,分辨率可達 1mm;測量范圍大,zui大測量范圍可達 120m,所以特別適用于高大貯罐的物位測量。
  ⑷ 雷達液位計發射的雷達波在被測介質表面反射時,信號會衰減,介質的導電性越好或介電常數越大,反射信號越強。但在實際應用中,幾乎所有的介質都能反射足夠的反射波。因此,它幾乎能用于所有液體的液位測量,同時也適用于測量固體顆粒、粉末的物位,適用范圍特別廣。
  (5) 采用非接觸式測量,不受被測介質各種物理特性的影響,特別是在溫度較高、壓力較高和蒸汽較大的場合更能發揮其優越性。
  ⑹ 標定簡單,測量響應快,雷達液位計具有故障報警及自診斷功能。
 
4 選型原則
  雷達液位計由于測量精度高、耐高溫、高壓的能力強,以及采用非接觸的測量方式,成為過程控制物位監測的首選儀表,是近年逐步在現場應用的先進測量技術。但在使用過程中也暴露出一些問題,主要是設計選型失誤。由于種類和品牌較多,如果在設計階段不能結合工況條件選擇適宜的產品,就可能造成雷達液位計無法正常使用。在選用物位儀表時,應區別不同介質工作條件及過程要求,選用成本低、精度高、價格適中、性能可靠的測量儀表。
 
4.1 介電常數的選擇
  首先要確定被測介質的介電常數 [5]。雷達液位計是基于發射 - 反射 - 接受的過程來實現物位測量的。因此被測介質對雷達波的反射率是必須考慮的,而介質對雷達波的反射率跟介質的介電常數成正比。目前,主流雷達液位計要求的zui低介電常數約為 1.5,介電常數低于 1.5 的介質不應選用雷達液位計。對于一些剛過臨界點的介質,比如一些液化石油氣的介電常數約為 1.6 左右,這種臨界情況下,如果選用非接觸式雷達液位計,一般采用增加一根導波管的方案,增強雷達波回波信號,即可滿足測量要求。低介電常數和變介電常數的被測介質,優選導波雷達。低介電常數液體介質反射信號弱,信號衰減嚴重,物位波動和泡沫散射引起信號減弱,罐內障礙物反射引起虛假信號,為此就需要發射較強的雷達波信號,并采用功能強的微處理器進行復雜的信號處理。這就使得常規交流供電雷達液位計價格非常昂貴,但仍難以較好的解決在上述條件下的物位測量問題。導波雷達和常規雷達一樣,采用傳輸時間來測量介質物位,信號自烴類 [ 介電常數 2~3]液體表面或自水 [ 介電常數 80] 面反射回傳的時間一樣的,不同的只是信號幅度(強度)的差別。普通雷達必須考慮介質的影響,比較難辯識返回的各種信號,從雜散信號中檢出真正的物位信號,而導波雷達僅需測量雷達波的傳輸時間即可,無需信號的處理和辨別。雷達波可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源,遇到障礙物易于被反射,被測介質導電性越好或介電常數越大,回波信號的反射效果越好。
 
4.2 量程的合理選擇
  在選用雷達液位計時,往往有一種錯誤看法,認為選用的量程只要大于槽罐的高度就行。事實上,三暢雷達液位計上標識的量程可能是它的zui大量程,選型時還要看容器的特性,如貯罐表面平穩還是有波紋,甚至有攪拌。同一型號的雷達料位計在不同情況下所能測量的實際料位有很大差別。E+H 公司的 FMR-231E 型雷達,量程是20m,只是表面平穩液體可以測量 20m,如用在無攪拌有波紋的緩沖罐上,就只能測量 10m。用其測量十幾米的帶有攪拌的料位時,經常測量不到低料位,這實際是選型量程不夠,增加量程后問題得到解決。
 
4.3 各種被測介質的不同選擇
4.3.1 測量液體物位的選型
  對于液面相對平穩的罐體,且被測液體的介電常數較高,可以選擇普通雷達液位計。對于液面波動大、或帶有攪拌的罐體,或被測液體的介電常數較低,應優選導波雷達。因為導波管對液面有整型作用,且導波雷達的微波反射不易受環境條件變化的影響。被測液體的介電常數和密度變化對測量結果沒有影響。對于粘度≤ 500cst 且不易產生粘附的介質,管式探頭是zui佳方案,可用于介電常數大于等于 1.4 的任何介質,測量與介質的導電性無關,罐內障礙物及短管尺寸不影響測量,比桿式探頭能承受的橫向壓力高。對于高粘度的介質,被測液體的粘度≥ 500cst,且液體粘附性較強的情況,不能選擇導波管方式測量,因為粘附和結晶會堵死導波管,從而形成虛假物位,可以選擇導波桿方式來測量。介質在探頭上的涂污對測量物位的影響可分為兩種:膜狀涂污和橋接。膜狀涂污是在物位降低時,高粘液體或輕油漿在探頭上形成的一種覆蓋層,由于這種涂污在探頭上涂層均勻,因此對測量基本無影響;但橋接性涂污的形成卻能導致明顯的測量誤差,當塊狀或條狀介質污垢粘結于波導體上或橋接于兩個波導體之間時,就會在該點測得虛假物位。由于液面波動和隨機噪聲等因素的影響,檢測信號中必然混有大量噪聲,為了提高檢測的準確度,必須對檢測信號進行處理,盡可能消除噪聲。
  對于有泡沫的液位測量:進料飛濺引起的泡沫或介質中混雜的泡沫對雷達波的反射沒有 影 響。 對 一 些 泡 沫 較 少 的 介 質, 選 用 Saab TankRadar PRO,在介質選項中選介質泡沫,可以對有泡沫的液位進行較準確的測量。但劇烈化學反應產生的大量厚重的泡沫會吸收和散射雷達波,回波質量很差。酒鋼選礦廠二浮選槽液位,由于槽內劇烈的化學反應產生大約 lm 多厚的泡沫,采用包括 SIEMENS 公司高頻的 APEX 型等多種雷達,都不能解決這一問題。
  對于帶有蒸汽的液位測量:實際應用中常常遇到蒸汽很大的液位測量問題,如酒鋼焦化廠鼓風冷凝液槽,安裝后一直很正常,測量也比較準確,但是使用一周多后,開始出現失波現象,檢查不出任何問題,重新安裝又恢復正常。這樣反復多次,都不能解決問題。理論上說蒸汽對雷達不會有任何干擾,這正是它的優點。通過分析,認為形成干擾的不是蒸汽,而是凝結在發射天線上的冷凝水。改用棒式天線,冷凝水順天線流掉,問題得到解決。增加吹掃裝置也可以解決這一問題。
 
4.3.2 測量固態物位的選型
  由于固態物料 ( 如沙石、煤炭等 ) 的料面都有一定的安息角,固態料面的測量基本上是利用雷達波在粗糙表面的漫反射。微波在粗糙的固態表面(包括顆粒狀物料表面)上的反射狀況與微波波長表面粗糙度(顆粒狀物料的粒徑)有關。當表面粗糙度與微波波長接近或大于波長時,微波會產生漫反射,類似光波在毛玻璃上的反射。由于漫反射的作用,微波的大部分能量都散射了,返回的只是一小部分能量。經常會因此導致失波的現象,故測量固態料面時,會選擇比測量同樣距離的液面發射更強(大一倍或更大量程)的微波能量。漫反射的強度與物料大小成正比,與波長成反比,形成漫反射的條件近似于:固體顆粒直徑 >1/6 波長。波長 λ 與頻率 f 的關系為:
  c=λf ③
   公 式 ③ 中:c- 電 磁 波 的 傳 播 速 度,c=3×108m/s;λ- 雷 達 波 的 波 長,mm;f- 雷 達波的頻率,GHz。
 
通 過 公 式 ③ 可 以 算 出 采 用 K 波 段 頻 率 為26GHz 的雷達液位計時,其波長約為 8.6mm,對顆粒直徑為 2mm 以上的物料都可形成良好的漫反射;而當 c 為光速 3×108m/s, 采用 X 波段頻率為 6.3GHz 的雷達液位計時,由式③可得波長約為 52mm,對于粒徑較小的顆粒狀物位,漫反射效果差,回波信號干擾嚴重。為改善雷達液位計測量性能,可提高發射信號的頻率,雷達液位計在測量散裝料位時,大部份散裝料直徑遠遠小于50mm,這就是目前 26GHz 雷達是測量散裝料物位zui佳選擇的原因。
  對于粉狀物料,特別是氣動傳輸的粉狀物料的測量:雖然理論上粉塵對雷達沒有影響,但大量粉塵也能產生散射,影響回波,可以選擇纜式導波雷達。由于微波在鋼纜中傳輸,物料在輸送過程中產生的粉塵對測量沒有影響。閃速爐的精礦、石英、粉煤可采用 E+H 公司的 FMP40 系列的纜式導波雷達,測量效果良好。
  對于顆粒狀或塊狀物料的測量:導波雷達的導波纜繩又容易被堅硬的物料損壞,在石灰石倉料位測量就遇到這樣的問題,須選用高頻雷達液位計,而且微波的發射角愈小愈好,因為微波的頻率越高,微波的波長越短,保證發射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達探頭,發射角愈小,形成雜波和漫發射的概率就越小。采用 SIEMENS 公司的高頻 LR400 雷達,由于其發射角小,回波信號好,采用連續調頻技術,抗干擾能力大大提高,固態甚至氣動傳輸的粉料也得到準確測量。
 
4.4 雷達天線選擇
4.4.1 棒式天線
  絕緣棒天線通常用聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料制成,耐腐蝕性能較好,可用于強酸、堿等介質。但微波發射角較大(約 30° ),并且邊瓣較多,對于罐內結構較復雜的情況,干擾回波會較多,信噪比小,精度較低。但易于清洗,常用于測量運行條件較好、口徑較大、測量范圍小的槽罐和腐蝕性介質。如果被測介質易揮發冷凝,zui好選擇棒形天線或水滴型天線;如 E+H 公司生產的 FMR231 型雷達,適合于測量腐蝕性介質,工作壓力可達 1.6 MPa,被測介質溫度可達 200℃。 
 
4.4.2 喇叭口天線
  錐形喇叭天線的發射角與喇叭直徑及頻率見表 1。
錐形喇叭天線設計參數
在同頻率下,喇叭直徑越大,發射角越小,如果是高頻雷達料位計,發射角就更小,準確度更高。如 SIEMENS 公司的 APEX 型雷達,測量精度可達 ±1mm。許多緩沖罐、儲罐、反應罐等都選用這類天線,但這類天線不適用于腐蝕性介質的測量。大多數經濟型雷達都采用 5.8GHz或 6.3GHz 的微波頻率,其發射角較大,容易在容器壁或內部構件上產生干擾回波。雖然喇叭天線增大可以減小發射角,但體積增大,安裝不便,而且改善有限。采用高頻率的雷達,如SIEMENS 公 司 的 LR400(24GHz)、Vega 公 司 的Vega Plus68(26GHz),發射角可以到 8°,這樣即使在測量狹長的料罐物位時,也能有較高的測量精度。如果用于大量程的測量場所選大喇叭口天線雷達液位計,小的喇叭天線則適用于小型容器。如果被測介質流動性較差并有掛料現象,那么選擇三暢喇叭或棒狀雷達液位計。
 
4.4.3 拋物面天線
  這是zui近推出的新型天線,多用在高頻發射的雷達,由于其發射角只有 7°,非常適合測量精確目標和饒過障礙物進行測量。但其天線尺寸大,如果用 X 波段,直徑達 Φ454mm,開孔尺寸要大于 500mm,安裝使用不太方便。
 
4.4.4 平面天線
  平面天線采用平面陣列技術,即多點發射源,與單點發射源相比,由于測量其于一個平面,而不是一個確定的點,配合相應電子線路,可使雷達液位計的測量精度達 ±1mm,可用于儲罐精密計量,主要用于計量級雷達液位計。平面天線適用于多種工況。
4.4.5 套管天線
  當介電常數較小(1.6~3)或液面產生持續渦流或容器內裝置造成假反射時,應選這類儀表。套管對雷達波有聚焦作用,天線裝在導波管中或旁路管中。套管內徑大小對雷達波傳播時間產生影響,所以在參數設置時,應設置套管內徑參數,對行程內時間進行補償。另外,這類天線要求被測介質流動性好,不易掛料。如果被測容器帶有攪拌葉槳,并且葉槳的旋轉半徑幾乎和罐的直徑相等,那么雷達液位計的回波將會受到嚴重干擾,這時選用導波管式雷達液位計。
4.4.6 導波雷達天線
  通過導波金屬或纜繩收發雷達波,屬接觸測量。由于它對粉塵、蒸汽、導波桿上粘附介質等影響較小,所以更廣泛地應用在固體料位和介電常數很小的液位測量。雙纜式導波雷達液位計是采用測量電容的變化來測量液面的高低的,兩電極間的介質即為液體及其上面的氣體,適用于具有腐蝕性和高壓的介質的液位測量,根本上解決溫度、濕度、壓力、物質的導電性等因素對測量過程的影響,因而具有極高的抗干擾性和可靠性。同軸管式雷達液位計加裝同軸管式探頭的導波雷達液位計,應用于介電常數較低的或表面波動液體的液位測量和控制;如果被測物料的介電常數太低,一般類型的雷達液位計都不適合。
5 結束語
  雷達液位計由于是一種非接觸式物位測量儀表,優點較多,近幾年來發展飛快,國內外不同廠家不斷推陳出新,產品琳瑯滿目,給不少客戶在選型問題上帶來了困難。本文通過對如何選型的介紹,為使用者提供多方面的參考依據,能夠有效解決選型失誤問題,使雷達液位計能夠有效運用在不同領域、不同工況上。
 
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