導波雷達液位計在壓縮機液擊實驗設(shè)備中的應用
摘要：制冷劑罐體液位測量是渦旋壓縮機液擊試驗工藝控制的重要部分。導波雷達液位計基于電磁波的時域反射 (TDR) 原理, 與現(xiàn)有實驗臺安裝的磁翻板液位計相比, 具有不受介質(zhì)密度影響、測量精度高等諸多優(yōu)點。本文闡述了導波雷達液位計的工作原理、性能特點、使用注意問題以及在新建液擊實驗設(shè)備中的選型與應用。本文結(jié)合導波雷達液位計在壓縮機實驗室新建液擊實驗臺項目中的應用進行說明。
丹佛斯壓縮機實驗室現(xiàn)有液擊實驗設(shè)備選用了BM 26A磁翻板液位計。安裝有磁鋼的浮球在連通器導向管內(nèi)隨容器內(nèi)介質(zhì)液面升降而上下運動, 磁鋼磁性透過導向管傳遞給外裝的翻柱顯示器, 推動翻柱旋轉(zhuǎn)180°并改變顏色, 兩色交界處即是液面的高度。但受測量原理制約, 磁翻板液位計只能側(cè)向安裝, 且測量精度一般;另外由于運動部件過多, 在長期使用過程中, 出現(xiàn)過浮球與磁翻柱卡死現(xiàn)象, 故障率過高。
本文結(jié)合導波雷達液位計在壓縮機實驗室新建液擊實驗臺項目中的應用, 分析闡述了導波雷達液位計的工作原理、性能特點、使用注意問題以及在新建實驗臺制冷劑液位測量的應用。說明了采用導波雷達液位計替代磁翻板液位計的方案的優(yōu)越性。
1、方案的選擇：
**新建液擊實驗臺項目液位變送器***終方案選用了KROHNE公司的導波雷達液位計。對于選用此方案的分析闡述如下。
1.1、導波雷達液位計的基本原理：
導波雷達液位計的工作原理是基于電磁波的時域反射原理 (TDR) , 電磁波發(fā)生器產(chǎn)生一個沿探測桿向下傳送的電磁脈沖波
1.2、導波雷達液位計的優(yōu)點：
導波雷達液位計優(yōu)點主要有:
(1) 安裝方式多樣, 可以使用螺紋和法蘭連接;可以選擇頂裝或者側(cè)裝。
(2) 沒有會被磨損和破壞的機械運動部件。
(3) 介電常數(shù)、密度、壓力、溫度的變化對測量無影響
(4) 信號波在導體中傳輸, 液面波動對測量精度的影響小。
1.3、導波雷達液位計的使用情況：
本文選用的導波雷達液位計, 該產(chǎn)品在壓縮機實驗室熱氣旁通性能實驗臺中廣泛使用, 用來測量油分離器中的油位高度。有10年以上的成功使用案例且運行穩(wěn)定。
1.4、導波雷達液位計與磁翻板式液位計的方案比較：
1.4.1、測量精度：
渦旋壓縮機液擊測試規(guī)范要求, 液位測量精度在±0.5L之間。但是在某型號大冷噸液擊實驗設(shè)備設(shè)計中, 受實驗間布局和測試單元空間限制, 液罐筒體的外徑型號不得小于323mm, 如果選用磁翻板液位計, 在測量精度為±10mm的前提下, 計算液位測量精度僅為±0.75L, 無法達到測試規(guī)范要求;而導波雷達液位計在直接測量模式下10米內(nèi)的測量精度為±3mm, 計算測量精度為±0.23L, 完全滿足測試要求。
1.4.2、介質(zhì)密度：
磁翻板液位計浮子材料選型與介質(zhì)密度相關(guān), 如表1所示:
而在渦旋壓縮機液擊實驗過程中, 液罐內(nèi)介質(zhì)的密度是隨著實驗工質(zhì)和工況冷凝溫度的變化而變化的。特別是近些年來, 制冷工質(zhì)逐漸向低全球變暖潛能值切換,**新型制冷劑不斷涌現(xiàn), 考慮到未來可能的實驗工況變化, 液罐內(nèi)介質(zhì)密度變化范圍將在0.6g/cm3～1.3g/cm3之間, 所以不可能在表中選出合適的浮子覆蓋所有實驗工況測量。而導波雷達液位計測量與介質(zhì)密度無關(guān), 十分適合介質(zhì)密度動態(tài)變化的液位測量。
上述比較表明, 導波雷達液位計測量精度高, 安裝靈活緊湊, 節(jié)省大量空間。結(jié)合上述導波雷達液位計的優(yōu)點, 證明選用導波雷達液位變送器的測量方案符合設(shè)計要求, 優(yōu)于磁翻板液位變送器的測量方案, 且后續(xù)儀表安裝維護相對簡便。
2、導波雷達液位計探頭的選型：
由于此類液位計是靠探頭發(fā)射電磁波, 因此探頭的選擇也可以說是導波雷達液位計選型的重要部分, 其對液位計的基本性能有重要的影響[4]。目前探頭的類型主要有三種:同軸桿式探頭、雙桿式探頭和單桿式探頭。
表1 磁翻板液位計浮子材料選型表
結(jié)合本項目應用特點, 選擇同軸式探頭原因如下。
2.1、介質(zhì)介電常數(shù)?。?/strong>
制冷劑工質(zhì)普遍介電常數(shù)很低, 而同軸桿式探頭配置的效率和敏感度, 使其在介電常數(shù)極低 (Er>1.4) 的應用場合也會產(chǎn)生較強的信號強度[5], 而雙桿式探頭所能測量的介質(zhì)介電常數(shù)需>1.9。因此, 選擇同軸式探頭的導波雷達變送器將能***大程度的滿足介電常數(shù)較小的液位測量要求。
2.2、儲液罐筒體半徑較?。?/strong>
雙桿探頭和單桿探頭有電磁脈沖作用區(qū)域***小半徑Rmin要求, 特別是單桿探頭要求電磁脈沖作用區(qū)域***小半徑Rmin為300mm, 本次設(shè)計液擊實驗臺選用液罐筒體尺寸為Φ323*9.95 mm, 已經(jīng)十分接近***小半徑的要求, 將無法保證電磁脈沖不受筒壁的干擾。而同軸桿式探頭無***小作用區(qū)域半徑要求, 為小尺寸筒體的設(shè)計安裝提供了可能性。
3、在新建液擊實驗臺項目中的安裝使用：
本項目只測量過冷液態(tài)制冷劑液位, 因此選用了OPTIFLEX 1300 C-L系列, 因其采用了更高的動態(tài)信號和更窄的脈沖, 所以和傳統(tǒng)的導波雷達液位計相比, 該系列儀表的精度和重復性更佳。但在安裝使用中應注意以下幾點:
3.1、罐底盲區(qū)：
由于液態(tài)制冷劑介電常數(shù)很小, 選用導波雷達液位計, 將在探頭底部產(chǎn)生大約50mm測量死區(qū), 如果同時考慮安裝時底部間隙產(chǎn)生的死區(qū), 累加測量盲區(qū)要在100 mm左右。在本文設(shè)計中, 將探頭埋入罐底50 mm, 根本上解決了由于死區(qū)造成的無法從零位開始測量的問題。
3.2、液位計安全報警設(shè)置：
在本文應用中, 根據(jù)工藝要求, 液罐會有連續(xù)的注液和排空過程, 但是在默認儀表報警項目中, 滿罐和空罐報警是生效的, 這樣在液罐排空后, 儀表即處于報警狀態(tài), 并將模擬輸出強行拉低至3.5 mA, 得到復位后才能從新開始正常工作。因此, 根據(jù)實際工藝需求, 選擇合理的報警設(shè)置, 對安全生產(chǎn)意義重大。
4、結(jié)語：
經(jīng)過渦旋壓縮機液擊實驗的反復驗證后, 證明導波雷達液位變送器在制冷劑液罐液位測量中代替磁翻板變送器的選型方案是正確可行的, 不但降低了成本, 在液位測量精度和運行維護等方面也均得到了優(yōu)化, 可以在設(shè)備批量生產(chǎn)中廣泛使用。