導(dǎo)波雷達(dá)液位計以導(dǎo)波桿( 纜) 結(jié)構(gòu)作為傳輸介質(zhì),具有信號損耗小、回波質(zhì)量高及能耗損失低等諸多優(yōu)點(diǎn),測量效果不受真空、密度變化、壓力變化、劇烈的空氣流動及劇烈的溫度變化等影響,同時對粉塵環(huán)境和揮發(fā)性液體的氣相成分、物料表面的波動、泡沫和障礙物相對不敏感[1],還可測量界位。基于上述諸多優(yōu)勢,導(dǎo)波雷達(dá)液位計在環(huán)保、化工、石油、食品、醫(yī)藥、造紙、水處理、電力、水泥、煤粉及塑料等領(lǐng)域或行業(yè)應(yīng)用廣泛。

  苯乙烯的生產(chǎn)過程具有高真空及易聚合等特點(diǎn),為此,陜西延長石油( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司延安煉油廠苯乙烯裝置在儲罐及塔器等液位測量的設(shè)計中,大量采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計來實(shí)現(xiàn)相關(guān)液位的較準(zhǔn)確測量。但是,導(dǎo)波雷達(dá)液位計在苯乙烯裝置使用中存在一些問題,筆者在仔細(xì)分析原因之后,有針對性地提出了解決辦法。

  雷達(dá)液位計采用時域反射原理( Time Domain Reflectometry,TDR) ,電磁脈沖以光速沿鋼纜或?qū)РU( 纜) 傳播,當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時,部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置,發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比,進(jìn)一步計算發(fā)射脈沖和回波脈沖的時差就能得到發(fā)射電路到該介質(zhì)接觸點(diǎn)的距離[2,3]。行程時間原理( TOF) : 發(fā)射出一個機(jī)械波或電磁波,該波以波速C進(jìn)行傳播,波在介質(zhì)表面被反射,接收反射波,測量運(yùn)行時間T, 計算接收中心與反射表面的距離D = T × C /2。

  導(dǎo)波雷達(dá)液位計采用TDR原理與等效時間采樣( Equivalent Time Sampling,ETS) 技術(shù),測量發(fā)射與反射脈沖之間的時間差,通過等效時間采樣技術(shù)將納秒級的傳導(dǎo)時間放大為毫秒級,采用優(yōu)化的識別算法進(jìn)行處理,對虛假回波進(jìn)行有效抑制和屏蔽,從而達(dá)到測量的目的。

  常見的回波法液位儀表有: 超聲波物位計、非接觸雷達(dá)及導(dǎo)波雷達(dá)等。

  超聲波是機(jī)械波,機(jī)械波在傳播過程中會受到傳播介質(zhì)穩(wěn)定程度的影響。引起空氣波動的因素很多,如粉塵、氣浪、蒸汽及料流等,同時會降低回波質(zhì)量,致使液位計很難識別出有效回波,直接影響測量效果。超聲波在現(xiàn)場應(yīng)用時要考慮被測介質(zhì)的空間狀態(tài)和表面狀態(tài),當(dāng)粉塵及氣浪等現(xiàn)象嚴(yán)重時,建議用低頻超聲波物位計。

  Radar一詞來源于無線電探測和測距( Radio Detection and Ranging) ,因非接觸式雷達(dá)物位計發(fā)射和接收的是電磁波,相比超聲波液位計有諸多優(yōu)點(diǎn),即精度高且使用范圍廣等,而且發(fā)射與接收均不與測量介質(zhì)接觸; 高頻電磁波易于長距離傳輸,可測量大量程; 測量不受液面上部空間氣相條件變化的影響。雷達(dá)液位計發(fā)射和接收高頻 ( GHz) 電磁波,通過計算發(fā)射波和回波時間進(jìn)行液位測量,與超聲波液位計相比優(yōu)點(diǎn)突出: 超聲波液位計聲納所發(fā)出的聲波是一種通過大氣傳播的機(jī)械波,大氣成分會引起聲速的變化,如液體蒸發(fā)汽化會改變聲波的傳播速度,從而引起超聲波液位測量的誤差,電磁波可在氣體介質(zhì)中傳播,并且氣體的波動變化不影響電磁波的傳播速度,故雷達(dá)液位計就有了更加廣泛的應(yīng)用空間。

  導(dǎo)波雷達(dá)液位計則彌補(bǔ)了雷達(dá)測量液位中的缺陷,雷達(dá)液位計 + 導(dǎo)波桿( 纜) = 導(dǎo)波雷達(dá)液位計,導(dǎo)波雷達(dá)液位計多了一個能定向集中傳輸電磁波的導(dǎo)波體,為信號至液面往返傳輸提供了一條高效通道,導(dǎo)波雷達(dá)輸出到探頭的信號能量非常小,約為常規(guī)雷達(dá)發(fā)射能量( 1. 0MW) 的10% ( 約0. 1MW)[4],信號衰減保持在***小程度,因而不能用于測量介電常數(shù)很低( 小于1. 4) 的液體。 此外由于導(dǎo)波雷達(dá)耗能小,采用回路供電而不是單獨(dú)的交流供電,從而節(jié)省了安裝費(fèi)用。普通雷達(dá)為非接觸式測量,導(dǎo)波雷達(dá)為接觸式測量,這樣就意味著導(dǎo)波雷達(dá)更需要考慮介質(zhì)的腐蝕性和粘附性,而且過長的導(dǎo)波雷達(dá)纜繩安裝和維護(hù)相對困難。測量固體物料時,導(dǎo)波雷達(dá)還要考慮導(dǎo)波桿( 纜) 的受力情況,也是由于受力的原因一般用導(dǎo)波雷達(dá)的測量距離不會很長。在一些特殊工況導(dǎo)波雷達(dá)有明顯優(yōu)勢,如罐內(nèi)有攪拌且介質(zhì)波動大的工況,用底部固定的導(dǎo)波雷達(dá)測量要比變通雷達(dá)穩(wěn)定; 還有小罐體內(nèi)的物位測量,由于安裝測量空間小( 或罐內(nèi)干擾物較多)[5],一般普通雷達(dá)不適用,這時導(dǎo)波雷達(dá)的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了; 還有低介電常數(shù)的工況,無論雷達(dá)還是導(dǎo)波雷達(dá)測量原理都是基于介質(zhì)介電常數(shù)的差別,由于普通雷達(dá)發(fā)射的波是發(fā)散的,當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)過低時,信號太弱測量不穩(wěn)定,而導(dǎo)波雷達(dá)波是沿導(dǎo)波桿 ( 纜) 傳播信號的,因而相對穩(wěn)定; 另外一般的導(dǎo)波雷達(dá)還有底部探測功能,導(dǎo)波雷達(dá)液位計可以根據(jù)底部回波信號修正測量結(jié)果,使信號更為穩(wěn)定準(zhǔn)確。

在導(dǎo)波雷達(dá)的應(yīng)用中,***好能通過專門的組態(tài)軟件完成組態(tài)和分析,比如E + H的Field Care或Rosemount的Radar Master,通過分析回波曲線,能夠直觀檢查雷達(dá)液位計的工作狀況。

陜西延長石油( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司延安煉油廠苯乙烯裝置污油罐上安裝導(dǎo)波雷達(dá)液位計后,一直存在液位波動大的問題。起初排查問題的焦點(diǎn)一直在參數(shù)的設(shè)置上,可是多次調(diào)整相關(guān)參數(shù)而問題仍未得到徹底解決。通過觀察該雷達(dá)的回波曲線,發(fā)現(xiàn)雷達(dá)液位計導(dǎo)波桿( 纜) 末端有強(qiáng)烈的正向回波信號,如圖1所示,并且在安裝法蘭側(cè)存在異常的參考回波,經(jīng)分析這就是導(dǎo)致導(dǎo)波雷達(dá)液位計不能正常工作的原因。

問題找到后,對該儀表的安裝短管進(jìn)行了擴(kuò)徑,由原來的DN40mm改為DN80mm,異常參考回波信號消失。對于底部異常正向回波,是因為導(dǎo)波雷達(dá)液位計末端與容器內(nèi)伴熱盤管相接觸, 產(chǎn)生了信號接地,致使雷達(dá)波與容器存在信號短路,從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的正向回波,在與工藝確認(rèn)后, 將導(dǎo)波雷達(dá)液位計的導(dǎo)波桿( 纜) 截短,調(diào)試投運(yùn)后的回波曲線如圖2所示,回波曲線達(dá)到理想狀況,罐體液位指示準(zhǔn)確。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計接收到的信號有些是容器內(nèi)障礙物或多次回波產(chǎn)生的雜波,這些雜波信號也會隨著液位的變化而變化,從而產(chǎn)生虛假液位,如圖3所示。

這些干擾或雜波信號可以通過干擾波信號閾值進(jìn)行剔除,適當(dāng)調(diào)整回波閾值,將回波閾值抬升至實(shí)際液位回波信號強(qiáng)度的一半左右,以消除和屏蔽雜波干擾,保證真實(shí)液位信號能夠被識別出來,如圖4所示。

  電磁波在穿越空氣和液體時,其傳播速度會發(fā)生變化,這就使得在回波曲線圖中看到的導(dǎo)波桿( 纜) 的末端長度會比實(shí)際長度要長,即存在末端偏移量( End of Probe-shift,EOP-shift) ,如圖5所示。利用這一現(xiàn)象,即使回波信號很微弱,物位L也可通過末端回波信號 ( EOP-signal) 的計算得到,使導(dǎo)波雷達(dá)的應(yīng)用更加廣泛[6]。在EOP-shift和物位之間存在如下關(guān)系:

  其中末端回波斜率EOP-slope( End of Probeslop) 是一個與介質(zhì)介電常數(shù) ε 有關(guān)的量 ( ε = ( EOP-slope + 1)2) 。若物位信號和EOP-signal可以被檢測到,那么EOP-slope就可以不間斷地重復(fù)計算,當(dāng)回波消失時物位就可以通過式( 1) 計算得到。

  導(dǎo)波雷達(dá)液位計常被應(yīng)用于低介電常數(shù)場合 ( 如液化氣) ,低介電常數(shù)介質(zhì)產(chǎn)生的回波信號也比較弱,在存在雜波和干擾波的信號中檢出正確的液位回波就要困難些,應(yīng)用基礎(chǔ)的回波定位法測量液位[7]有時就難以實(shí)現(xiàn),通過改變回波閾值也起不到作用,此時就可以考慮應(yīng)用底部回波算法來解決。如圖6所示,箭頭所指為真實(shí)液位的回波,導(dǎo)波雷達(dá)液位計很難從回波中找到真實(shí)液位,液位曲線呈跳變狀態(tài),測量無法進(jìn)行,在應(yīng)用底部回波算法后,該問題迎刃而解,底部回波算法使導(dǎo)波雷達(dá)具有了一種冗余測量物位的方法,達(dá)到了高度的可靠性和安全性。

  盡管導(dǎo)波雷達(dá)液位計具有較強(qiáng)的信號處理和分辨功能,能從大量的雜散波中分辨出真實(shí)的液位信號,但當(dāng)用于復(fù)雜安裝環(huán)境時( 如設(shè)備內(nèi)存在構(gòu)件、泡沫和粉塵) ,對其實(shí)際工作性能會有影響,因此在安裝時需特別注意。對導(dǎo)波雷達(dá)波形識別算法的改進(jìn)和優(yōu)化,使得導(dǎo)波雷達(dá)液位計在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。