摘要： 雷達液位計在測量液位過程中有著眾多優(yōu)點, 但對于易揮發(fā)結(jié)晶介質(zhì)的液位測量卻存在不同程度的局限性。為增強雷達液位計的使用性能, 通過對生產(chǎn)過程中使用的雷達液位計在對槽體液位測量中出現(xiàn)的一系列問題進行深入分析, 并結(jié)合雷達液位計的測量原理和結(jié)構(gòu)特點, 提出了一種利用雷達液位計與導波管相結(jié)合的測量方法, 為化工企業(yè)生產(chǎn)中雷達液位計的使用提供了參考。該改進型雷達液位計結(jié)構(gòu)簡單, 易于安裝與維護, 有效避免了槽體液位測量中液位波動、測量介質(zhì)等因素的影響, 使測量精度提高了10倍以上, 抗干擾能力大大增強, 確保了測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性。該改進型雷達液位計的創(chuàng)新性在于結(jié)合了導波管與雷達液位計的優(yōu)點, 成功解決了雷達液位計在液位測量過程中的局限性。該研究成果解決了槽體液位測量過程中常見的問題, 同時為石化、焦化、化工等行業(yè)生產(chǎn)過程中雷達液位計的使用方法提供了一些啟示。

 

　　0 引言

 

　　在工業(yè)生產(chǎn)中, 地下槽體通常被用于工業(yè)循環(huán)液的存儲, 是整個生產(chǎn)過程中的重要輔助裝置。其內(nèi)部介質(zhì)的液面高度是整個工藝控制過程中一個重要工藝參數(shù), 所以實現(xiàn)地下槽體的液位測量對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行起著重要的作用。但因為地下槽體內(nèi)部介質(zhì)會對雷達液位計的測量造成不同程度的影響, 且一些液位測量結(jié)果與工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全儀表系統(tǒng)存在聯(lián)鎖關系[1], 所以如何排除各種影響液位測量的因素就成為了一項十分重要的研究課題。

 

　　1 背景介紹

 

　　工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到對容器內(nèi)液體的物位測量的情況, 人們運用多種方法來進行液位的測量, 導波雷達液位計和普通雷達液位計就是兩種常用的液位測量儀表。但由于環(huán)境和工況等因素的影響, 導致兩者在液位測量過程中均存在很大的局限性。特別是在焦化行業(yè)中槽體等雜質(zhì)較多的環(huán)境, 導波雷達液位計為接觸式測量, 其導波桿會被粘上焦油等雜質(zhì), 從而影響液位計的正常測量。與之相比, 可實現(xiàn)非接觸式測量的雷達液位計更顯優(yōu)勢, 其不接觸被測量介質(zhì), 從而避免了上述情況的出現(xiàn), 但液面波動也會影響普通雷達液位計的測量精度。采用非接觸式液位測量的方式還有超聲波液位計, 但其信號的“拖尾”現(xiàn)象影響了時間準確性, 進而影響液位測量的精度[2]。

 

　　雷達液位計是一種采用微波測量技術(shù)的非接觸式液位測量儀表[3], 目前較為廣泛地應用于地下槽體的液位測量。當被測量液面平靜時, 雷達波反射較好、測量精度高[4]。但實際應用中, 由于槽體內(nèi)液位環(huán)境較為復雜, 設備受到漂浮物、結(jié)冰、液體流入和泵出時造成的液面波動、雷達天線表面結(jié)晶等因素干擾, 會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)波動, 這將直接導致測量數(shù)據(jù)無法真實反映液位信息。

 

　　針對以上影響槽體液位測量的因素, 對雷達液位計及其附屬設備的結(jié)構(gòu)和測量方法進行了針對性改進, 可有效避免以上干擾因素對液位測量結(jié)果的影響, 保證雷達液位計的可靠運行。多次試驗表明, 該方法穩(wěn)定、可靠, 改進后的測量系統(tǒng)在實際應用中具有良好的使用效果。

 

　　2 雷達液位計的組成及工作原理

 

　　2.1 組成概述

 

　　雷達液位計由天線系統(tǒng)、電子部件、微處理器組成。天線系統(tǒng)的作用是為了發(fā)射微波脈沖和接收反射回波, 電子部件將時間信號轉(zhuǎn)換成物位信號, 微處理器可以準確分辨出物位回波去除虛假回波。普通雷達液位計結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

　　圖1 普通雷達液位計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the normal radar level gauge 

 

　　2.2 工作原理

 

　　雷達液位計的工作原理是通過天線向被測介質(zhì)物位發(fā)射電磁波, 測出電磁波發(fā)射和反射回來的時間, 從而計算出容器內(nèi)液位。雷達液位計的天線系統(tǒng)發(fā)射極窄的電磁波脈沖。這個脈沖以光速在空間內(nèi)傳播, 遇到被測介質(zhì)表面, 其部分能量被反射回來, 被同一個天線系統(tǒng)接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔與天線系統(tǒng)到被測介質(zhì)表面的距離成正比。通過分析天線發(fā)射波與介質(zhì)液位反射波之間的時間差與微波波速之間的關系, 實現(xiàn)容器介質(zhì)液位的測量。由于電磁波的傳播速度極高, 發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔很小 (ns量級) , 因此很難確認時間間隔大小[6]。目前, 市場主流雷達液位計有兩類, 一類是發(fā)射頻率固定不變的雷達液位計, 另一類是等幅可調(diào)頻率雷達液位計[7]。

 

　　雷達液位計具有以下兩個特點: (1) 無位移, 無傳動部件, 非接觸式測量, 不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制, 適用于黏度大的介質(zhì)、有毒或無毒衛(wèi)生型介質(zhì)、有腐蝕性介質(zhì)的物位測量[7]; (2) 雷達液位計沒有測量盲區(qū), 可實現(xiàn)很高的度 (分辨率) , 液位測量誤差***高可達1 mm (特殊情況下可達到0.1 mm) , 故其可作為商用計量儀表[8]。

 

　　3 影響雷達液位計測量的因素

 

　　影響雷達液位計測量的因素主要有以下三個。

 

　　(1) 環(huán)境溫度。

 

　　環(huán)境溫度會造成槽體內(nèi)易揮發(fā)的介質(zhì)結(jié)晶附著在雷達液位計的天線表面, 從而嚴重影響天線系統(tǒng)的信號發(fā)射和接收, 造成測量數(shù)值的波動和假值。測量過程中介質(zhì)的不同溫差對雷達液位計的測量偏差有著重要的影響[9]。

 

　　(2) 蒸汽。

 

　　被測量槽體內(nèi)介質(zhì)上方會存在大量的蒸汽, 由于罐體處于地下, 罐壁氣溫較低, 蒸汽會在豎直的罐壁上凝結(jié)成液體小水珠。如果冷凝后的液體水珠不能將罐壁完全潤濕, 必然在罐壁上方產(chǎn)生很多小液滴。隨著蒸汽量的增加, 小液滴匯集后因重力影響落入罐內(nèi), 并形成液滴形成、匯集、掉落的循環(huán)過程。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 罐壁上液滴越多, 液位計顯示波動越嚴重。由此說明罐壁上的液滴也是影響雷達液位計測量結(jié)果的重要因素。分析可知, 雷達天線發(fā)射的電磁波遇到罐壁上的液滴后發(fā)生不規(guī)則的反射回波, 雷達液位計信號處理系統(tǒng)無法區(qū)分這些反射回波, 從而引發(fā)液位測量故障。

 

　　(3) 液體的湍動和氣泡。

 

　　罐體內(nèi)液體的流入和泵出會造成罐內(nèi)介質(zhì)液面的湍動和氣泡的產(chǎn)生。這不僅會造成電磁波的吸收和散射, 還會造成電磁波的折射和反射, 極大地衰減反射回天線的有效電磁波信號的強度, 嚴重影響雷達液位計的準確測量。

 

　　4 雷達液位計的改進措施及應用

 

　　4.1 測量結(jié)構(gòu)及應用

 

　　針對以上影響雷達液位計測量的因素, 對雷達液位計的整體測量系統(tǒng)進行相應的改進。改進型雷達液位計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 改進型雷達液位計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the improved radar level gauge 

 

　　改進型雷達液位計在普通雷達液位計的基礎上增加了導波管和浮球。其中, 導波管必須垂直于液面安裝;浮球處于導波管內(nèi)部, 其直徑與導波管直徑相當, 材料視容器內(nèi)介質(zhì)密度而定, 材料密度應小于介質(zhì)密度, 使其漂浮在介質(zhì)表面, 且可以隨著液位的升高在浮力的影響下于導波管內(nèi)部上下移動。導波管上部和下部均設一開孔, 考慮到被測介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)堵塞導波管下部開孔位置, 可根據(jù)實際, 在不影響測量導波管結(jié)構(gòu)安全的情況下, 增加下開孔處環(huán)導波管同一平面的開孔數(shù)量。導波管上開孔可使浮球上部與容器內(nèi)上部氣壓一致, 保證導波管內(nèi)外液面相同。改進型雷達液位計天線發(fā)射的電磁波可以沿著導波管射向浮球, 并接收浮球反射回的電磁波, 從而通過計算浮球高度得到槽體內(nèi)介質(zhì)液面高度。

 

　　改進型雷達液位計安裝方便, 可用于封閉式、半封閉式以及開放式容器的液位測量。導波管可以阻擋由于外界湍流和氣泡引起的內(nèi)部液面波動, 有效地降低了介質(zhì)液面波動引起的測量誤差。通過加裝測量套管, 減小了導波管內(nèi)介質(zhì)液面的揮發(fā)面積, 有效降低了易結(jié)晶介質(zhì)揮發(fā)后引起的測量誤差。

 

　　通過運行液位補償算法, 可使液位測量結(jié)果更趨穩(wěn)定和[10]。

 

　　4.2 測量結(jié)構(gòu)安裝要點

 

　　改進型雷達液位計在安裝時, 要與罐壁保持一定的距離, 并盡量避開加熱管和攪拌機構(gòu), 這樣才能有效避免其對改進型雷達液位計的干擾, 確保改進型雷達液位計準確測出液位。改進型雷達液位計的天線使用錐體天線***佳。錐體天線沒有防護罩, 可以有效防止被測介質(zhì)因溫度而出現(xiàn)天線表面結(jié)晶現(xiàn)象, 從而給測量帶來不必要的影響。

 

　　導波管在安裝時一定要垂直于被測液面。電磁波的時間行程變化與導波管的直徑及其內(nèi)部的平整程度有很大關系。如果導波管內(nèi)部不平整, 會造成電磁波的回程時間增加且強度減弱, 從而不能得出準確的測量結(jié)果。

 

　　4.3 設備應用

 

　　改進型雷達液位計被用于罐體及地下槽體液位的測量, 精度提高到0.1 mm, 測量結(jié)果穩(wěn)定可靠。重要的是, 該設計有效排除了外界測量環(huán)境對測量過程的影響, 維護量小, 極大地節(jié)約了人工和材料成本, 取得了可觀的經(jīng)濟效益。穩(wěn)定、的測量結(jié)果為安全生產(chǎn)提供了有效的保障。

 

　　5 結(jié)束語

 

　　針對雷達液位計在實際使用過程中遇到蒸汽量大、液面擾動、揮發(fā)介質(zhì)結(jié)晶等直接影響測量結(jié)果準確性的狀況, 通過在傳統(tǒng)的容器液位測量裝置上加裝一種內(nèi)含浮球的導波管裝置, 有效地減小了雷達液位計天線處由于蒸汽凝結(jié)、介質(zhì)結(jié)晶、罐內(nèi)介質(zhì)液面波動引起的液位測量誤差。這樣就保證了液位測量精度, 有效地排除了環(huán)境和介質(zhì)屬性等因素對改進型雷達液位計測量過程的影響。

 

　　化工生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較復雜, 容器液位的測量受到多方面的影響。如果不能地測量出容器的液位變化情況, 極易發(fā)生不可挽回的安全事故, 造成重大的人員和財產(chǎn)損失。針對改進后的測量裝置的安裝、使用、維護和故障處理, 提出以下幾點建議。 (1) 應針對被測量介質(zhì)的屬性、測量環(huán)境和容器結(jié)構(gòu)等狀況, 進行雷達液位計合理的選型工作。 (2) 必須嚴格控制雷達液位計工作環(huán)境的溫度穩(wěn)定, 使其在滿足生產(chǎn)工藝條件下維持一個相對不利于被測介質(zhì)揮發(fā)的溫度區(qū)間, 并實現(xiàn)實時溫度監(jiān)測。 (3) 應根據(jù)電磁波特性, 保持波速一定, 降低雷達液位計發(fā)射的電磁波頻率, 可有效增大電磁波的波長。大波長電磁波遇到液滴可發(fā)生衍射, 降低因液滴發(fā)生電磁波反射的頻率, 避免了其對測量結(jié)果的影響。 (4) 必須建立雷達液位計臺賬, 完善每臺檢測儀器的信息, 掌握其動態(tài)測量信息, 加強巡檢力度, 定期對雷達液位計進行維護。