雷达料位计（精选8篇）
雷达料位计 篇1
引言
物料高度是工业自动化过程控制中一个非常重要的过程参数。测量物料高度的方法有很多,例如电容式、差压式、超声波、 电磁波、核辐射等,针对不同的工况和介质可以使用不同测量原理的物位计。随着科技的高速发展,具有先进测量技术的雷达类物位计发展迅速,由于其适应复杂工况能力强,使用维护方便等原因,深受广大用户欢迎。
1测量原理
■ 1.1时域反射技术
以法兰下表面作为基准面,电磁脉冲以光速由喇叭传播,遇到被测介质表面时,由于介电常数发生突变,部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到喇叭。基准面与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比。通过测量发射脉冲与反射脉冲的时间差,并由式 (2.1) 即可计算出被测物质到仪表法兰的距离。
D=1/2·ct(2.1)
其中D为测量参考面到被测介质的距离,c为光(电磁波)在真空的的传播速度, t为发射脉冲与反射脉冲的时间差。
然后根据用户设定的空料位位置,由式 (2.2) 即可计算出物料高度。
L=E-D(2.2)
其中E为测量参考面到用户设定的空料位位置,D为测量参考面到被测介质的距离, L为物料高度。
■ 1.2时域拓展技术
公式 (2.1) 表明,采用这种测量方法的关键在于测量出发射脉冲和接收脉冲之间的时间差。由于发射出的电磁脉冲以光速传播,而且脉冲雷达物位计的测距分辨率一般为毫米级,通过公式 (2.1) 不难计算出,要分辨出3mm的物位变化,时间分辨率要达到10ps,这需要100GHz以上的采样频率。 由此可见,采用实时采样的方法是难以实现的。
不能直接获取发射脉冲和接收脉冲之间的时间差,于是我们采用了时域拓展技术来进行间接测量。时域拓展技术其实就是采用等效时间采样的方式。我们假设在极短时间内物料位置几乎不变, 回波信号在极短时间内可以看成是周期重复出现的。
等效时间采样原理如图2所示:
A信号为周期性重复的发射信号, B信号为周期性重复产生的回波信号, 周期均为T1。要想在一个T1周期内对回波信号进行直接采样并分辨物位变化难以实现。于是我们产生一个周期性重复的C信号来作为等效时间采样的采样时钟,其周期为T2,我们让T2略大于T1(T2-T1=Δt)。这样每次采样时采样时钟都会比前一次采样偏移一个时间Δt。通过C信号对B信号的多次采样后,就得到了D信号,D信号为B信号经过拓展后的回波信号,相当于B信号一个周期的信号在时域上被放大了,这样我们就可以采用较低的采样率来采集回波信号,并根据在时域上被放大的比例来等效的计算发射脉冲和接收脉冲之间的时间差。
2系统设计
■ 2.1硬件电路设计
电路产生两组相关的窄脉冲信号,分别驱动发射26GHz振荡器和接收26GHz振荡器。发射信号通过带通滤波器、功率放大器、 环形器后由天线将微波信号发射出去,微波信号遇到被测介质后, 部分能量被反射并被天线接收,反射信号通过环行器、低噪放后, 与接收信号在混频器处采样混频,得到中频信号。中频信号经过放大滤波后由AD采集器采集并送入微处理器分析、计算回波位置。
通过频谱仪测试,发射功率、带宽、中心频点均满足要求。 图4曲线:发射信号通过功放后的频谱分布。
■ 2.2软件设计
软件设计中主要考虑提高反射回波波形识别的准确性问题。 在设计中采用了对回波进行叠加平均和数字滤波技术,对回波包络曲线进行多点曲线拟合等技术。实际测试中精度达到了3mm,达到了国际先进水平。
3结束语
微波脉冲雷达料位计当前作为料位测量领域的主力产品,市场份额主要被国外公司占据。本设计提出了一种26GHz脉冲雷达物位计的实现方法,通过大量的测试与验证,掌握了相关核心技术, 产品相关指标达到了国际先进水平,为进一步提高国产脉冲雷达物位计的性能和市场占有率打下基础。
摘要：脉冲雷达料位计用于测量罐体内部的物料高度,主要应用于石油、化工等行业,具有受环境影响小、测量精度高、维护方便等优点。26GHz脉冲雷达料位计已经成为料位测量的首选产品。本文提出一种26GHz脉冲雷达料位计的设计与实现方法,通过大量测试,验证了产品性能,掌握了核心技术。
关键词：脉冲雷达,料位计,微波
雷达料位计 篇2
导波雷达料位计的原理及应用
一、导波雷达料位计概述
料位是工业生产中的一个重要参数。料位测量的方法很多，针对不同的工况和介质可以使用不同测量原理的料位计，吹气法、静压式、浮球式、重锤式、超声波等几种常用的料位测量仪表，都有各自的特点和应用范围。导波雷达料位计运用先进的雷达测量技术，以其优良的性能，尤其是在槽罐中有搅拌、温度高、蒸汽大、介质腐蚀性强、易结疤等恶劣的测量条件下，显示出其卓越的性能，在工业生产中发挥着越来越重要的作用。
二、原理及技术性能
雷达波是一种特殊形式的电磁波，导波雷达料位计利用了电磁波的特殊性能来进行料位检测。电磁波的物理特性与可见光相似，传播速度相当于光速。其频率为300MHz-3000GHz。电磁波可以穿透空间蒸汽、粉尘等干扰源，遇到障碍物易于被反射，被测介质导电性越好或介电常数越大，回波信号的反射效果越好。雷达波的频率越高，发射角越小，单位面积上能量（磁通量或场强）越大，波的衰减越小，导波雷达料位计的测量效果越好。１.导波雷达料位计的基本原理
导波雷达料位计组成：它主要由发射和接收装置、信号处理器、天线、操作面板、显示、故障报警等几部分组成。
发射－反射－接收是导波雷达料位计工作的基本原理。雷达传感器的天线以波束的形式发射最小5.8GHz的雷达信号。反射回来的信号仍由天线接收，雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间与传感器到介质表面的距离以及物位成比例。即：h=?H–vt/2? 式中?h为料位；H为槽高；?v为雷达波速度；t为雷达波发射到接收的间隔时间； ２.导波雷达料位计测量料位的先进技术：(１)回波处理新技术的应用
从导波雷达料位计的测量原理可以知道，导波雷达料位计是通过处理雷达波从探头发射到介质表面然后返回到探头的时间来测量料位的，在反射信号中混合有许多干扰信号，所以，对真实回波的处理和对各种虚假回波的识别技术就成为导波雷达料位计能够准确测量的关键因素。(２)测量数据处理：
由于液面波动和随机噪声等因素的影响，检测信号中必然混有大量噪声。为了提高检测的准确度，必须对检测信号进行处理，尽可能消除噪声。
经过大量的实验验证，采用数据平滑方法可以达到满意的效果。此方法也可有效的克服罐内搅拌器对测量的影响。(３)导波雷达料位计的特点：
由于导波雷达料位计采用了上述先进的回波处理和数据处理技术，加上雷达波本身频率高，穿透性能好的特点，所以，导波雷达料位计具有比接触式料位计和同类非接触料位计更加优良的性能。①可在恶劣条件下连续准确地测量。②操作简单，调试方便。③准确安全且节省能源。④无需维修且可靠性强。⑤几乎可以测量所有介质。
三、安装应注意的问题
（１）当测量液态物料时，传感器的轴线和介质表面保持垂直；当测量固态物料时，由于固体介质会有一个堆角，传感器要倾斜一定的角度。
（２）尽量避免在发射角内有造成假反射的装置。特别要避免在距离天线最近的1/3锥形发射区内有障碍装置（因为障碍装置越近，虚假反射信号越强）。若实在避免不了，建议用一个折射板将过强的虚假反射信号折射走。这样可以减小假回波的能量密度，使传感器较容易地将虚假信号滤出。（３）要避开进料口，以免产生虚假反射。
（４）传感器不要安装在拱形罐的中心处（否则传感器收到的虚假回波会增强），也不能距离罐壁很近安装，最佳安装位置在容器半径的１／２处。
（５）要避免安装在有很强涡流的地方。如：由于搅拌或很强的化学反应等，建议采用导波管或旁通管测量。
（６）若传感器安装在接管上，天线必须从接管伸出来。喇叭口天线伸出接管至少１０mm。棒式天线接管长度最大100或250mm。接管直径最小250mm。可以采取加大接管直径的方法，以减少由于接管产生的干扰回波。
（７）关于导波管天线：导波管内壁一定要光滑，下面开口的导波管必须达到需要的最低液位，这样才能在管道中进行测量。传感器的类型牌要对准导波管开孔的轴线。若被测介电常数小于４，需在导波管末端安装反射板，或将导波管末端弯成一个弯度，将容器底的反射回波折射走。
四、应用中存在的问题及解决方法
有些工况下所使用的导波雷达料位计，因为传感器安装位置不当及条件所致，出现了一些问题，下面将对一些使用中的问题提出解决方案,供大家参考。1．探头结疤和频繁故障的解决方法
第一个办法是将探头安装位置提高，但是有时候安装条件限制，不能提高的情况下，就应采用将料位测量值与该槽的泵联锁的办法，解决这一难题：将最高料位设定值减小0.5m左右，当料位达到该最高值时，即可停进料泵或开启出料泵。2．导波雷达料位计被淹相应的改进办法? 解决这种问题的办法是将导波雷达料位计改为导波管式测量。仍在原开孔处安装导波管式导波雷达料位计，导波管高于排汽管0.2m左右，?这样一来，即使出现料浆从排汽管溢出的恶劣工况，也不会使料位计天线被料浆淹没，而且避免了搅拌器涡流的干扰及大量蒸汽从探头处冒出，减少了对探头的损害，同时由于导波管聚焦效果好，接收的雷达波信号更强，取得了很好的测量效果。使用导波管测量方式，可以改善表计测量条件，提高仪表测量性能,具有很高的推广应用价值。3．关于泡沫对测量的影响：
干泡沫和湿泡沫能将雷达波反射回来，对测量无影响；中性泡沫则会吸收和扩散雷达波，因而严重影响回波的反射甚至没有回波。当介质表面为稠而厚的泡沫时，测量误差较大或无法测量，在这种工况下，导波雷达料位计不具有优势，这是其应用的局限性。
4．对于天线结疤的处理：
介电常数很小的挂料在干燥状态下对测量无影响，而介电常数很高的挂料则对测量有影响。可用压缩空气吹扫（或清水冲洗），且冷却的压缩空气可降低法兰和电器元件的温度。还可用酸性清洗液清洗碱性结疤，但在清洗期间不能进行料位测量。
五、结束语
导波雷达料位计是目前各类料位测量仪表计中适用范围最广、测量最精确、维护最方便的料位测量仪表。随着其价格的进一步降低，性价比的提高，应用将会越来越广泛，在料位测量中发挥越来越重要的作用。本文对其进行系统的阐述，旨在为广大维护人员更好地使用和掌握它，希望能对大家提供一些借鉴和帮助。
导波雷达物位计 工作原理：导波雷达物位计是一种微波物位计，它是微波（雷达）定位技术的一种运用。它是通过一个可以发射能量波（一般为脉冲信号）的装置发射能量波，能量波在波导管中传输，能量波遇到障碍物反射，反射的能量波由波导管传输至接收装置，再由接收装置接收反射信号。根据测量能量波运动过程的时间差来确定物位变化情况。由电子装置对微波信号进行处理，最终转化成与物位相关的电信号。能量辐射水平低，该设备使用能量波的是脉冲能量波（频率一般比智能雷达物位计低）。一般脉冲能量波的最大脉冲能量为1mW左右（平均功率为1μW左右），不会对其他设备以及人员造成辐射伤害。适用范围及特点：导波微波物位仪表用于对液体、浆料及颗粒料等介电常数比较小的介质的进行接触连续测量，适用于温度、压力变化大、有惰性气体或蒸汽存在的场合。具有以下特点
1、通用性强：可测量液位及料位，可满足不同温度、压力、介质的测量要求，最高测量温度可达800℃，最大压力可达5MPa，并可应用于腐蚀、冲击等恶劣场合。
2、防挂料：独特的电路设计和传感器结构，使其测量可以不受传感器挂料影响，无需定期清洁，避免误测量。
3、免维护：测量过程无可动部件，不存在机械部件损坏问题，无须维护。
4、抗干扰：接触式测量，抗干扰能力强，可克服蒸汽、泡沫及搅拌对测量的影响。
5、准确可靠：测量量多样化，使测量更加准确，测量不受环境变化影响，稳定性高，使用寿命长。主要技术参数： 正常工作条件：环境温度：-20～50℃；相对湿度：5%～100%（包括直接湿）；环境压力：86kPa～108 kPa；测量范围： 0～6米，缆式最大可达35米；过程连接： 螺纹 或者法兰；过程温度：-40-250℃；过程压力： 0.1～6Mpa；工作频率： 1.8GHz；响应速度： ≥0.2s（根据具体情况而定）重 复 性： ± 3mm ；分 辨 率： 1mm ；电流信号： 4～20mA/HART；精
度： <0.1% ；通讯接口： HART 通讯协议 ；电
雷达料位计 篇3
由于水泥厂固态物料具有高磨损性和大容量的特点, 接触式料位计, 例如重锤, 有许多诸如过度磨损和维修方面的缺陷, 并且在使用过程中存在钢缆断裂和重锤掉落入物料的危险。如果钢缆及重锤掉入容器会损坏料仓的下料装置, 并且导致昂贵的维修成本和潜在的停产风险。
水泥生产的填料周期会产生大量的粉尘, 超声波物位计测量信号会产生很大的能量损耗, 从而导致严重的信号衰减。水泥生产线有气动料仓, 也有料仓有底部吹气系统来均匀物料, 比如生料均化库、水泥成品库, 这些料仓内都有浓度极高的粉尘。另外, 部分物料的高温也限制了超声传感器的选择, 比如熟料仓里的熟料。
在水泥生产线, 大多数物位测量传感器都安装在料仓顶部, 而其中有些料仓高度甚至可能高达80m, 且部分料仓底部还采用倒锥型结构并增加底吹来均匀混合物料, 产生浓度极高的粉尘, 这使得采用普通的料位计测量相当困难, 特别是电梯无法使用的时候, 人为上料仓监测更为麻烦, 给生产带来极大的不稳定性。
水泥行业的工况基本涵盖了固态物料料位测量的所有挑战, 例如:浓度极高的粉尘、高温、大量程、机械磨损严重、低介电常数等等。而现今非接触式微波 (雷达) 物位计已成为水泥生产物位测量的首选, 也成为了绝大多数固态物料料位测量的首选。
自2011年, 我们尝试使用了一种高频的雷达料位计, 在水泥库、生料均化库等以往测量效果不理想的地方安装后, 使用效果比较理想, 基本克服了高浓度粉尘、物料界面不清晰、安装位置靠近库顶钢梁等不良影响, 测量值稳定, 没有以前的死机、测量值跳跃等现象。而且, 这种高频雷达料位计体积很轻巧, 安装很方便。
2 高频雷达料位计
SITRNAS LR560是一款全新的微波 (雷达) 物位计, 首次采用了78GHz高频微波技术, 及透镜式平面天线。天线直径不到3″ (接近2.5″) , 波束角仅4°, 可采用3″法兰安装, 长达1m的安装立管都不会影响测量 (立管直径需大于3″) 。
SITRNAS LR560是一款专为固态物料设计的微波 (雷达) 物位计, 由于其采用78GHz高频微波, 微波波长仅3.85mm, 可以在很细的颗粒表面产生良好的信号反射, 对倾斜的固态物料表面也能可靠测量, 是固态物料料位测量的最佳解决方案。
SITRNAS LR560分标准型和增强型:标准型量程为40m;增强型达100m, 过程温度200℃, 主要用于测量固态物料的料位。整个仪表重量约3.15kg, 比同类产品轻很多, 尺寸也小, 携带、安装都很简单。只有4°的窄波束角, 使安装时容易避开仓内障碍物, 且对安装条件几乎无要求。SITRNAS LR560还配置了吹扫接口, 可连接气源对天线进行吹扫, 这个配置应用于高介电常数物料易粘附的工况能达到较好的效果。
该产品安装后几乎不需要任何调整, 参数设置快速、简便, 可用表头按键或红外手操器操作, 支持中文操作界面, 极大地方便了中国客户的使用。图形化界面可以很方便地在几十秒内完成设置, 甚至不需要操作手册。SITRANS LR560采用FMCW方式, 24VDC供电, 二线制4～20mA/Hart输出, 节约安装、布线的时间和成本。
3 性能特点
目前世界上的微波 (雷达) 物位计有脉冲法 (Pulse) 和连续调频法 (FMCW) 两种。
脉冲波测距是由天线向被测物料面发射一个微波脉冲, 当接收到被测物料面上反射回来的回波后, 测量两者时间差 (即微波脉冲的行程时间) , 来计算到物料表面的距离。由于微波以光速传播, 因此脉冲技术其微波发射和返回之间的时差非常小, 对于几十米的距离时间差为纳秒级。
连续调频 (FMCW) 技术是用间接方法来测量距离。因为微波发射和返回时差太小, 直接测量难以达到高精度, 故转换成频率量的差值来测量, 可以达到稳定、可靠、高精度的测量效果。天线发射一个频率被线性调制的微波连续信号, 频率线性上升, 所接收到的回波信号频率也是线性上升的, 两者的频率差与离目标的距离成一定比例 (见图1) 。SI-TRANS LR560采用的就是FMCW技术, 在固态物料测量中即使存在高粉尘工况, 也能保证高稳定性、高可靠性的物位测量目的。
目前微波物位计使用的微波频率主要有三个频段:C波段 (5.8～6.3GHz) 、X波段 (9～10.5GHz) 、K波段 (24～26GHz) 。SITRANS LR560是首款突破K波段 (24～26GHz) , 采用高达78GHz技术的超高频微波 (雷达) 物位计。
不同频段因波长不一样, 导致天线尺寸、适用物料有所不同。物位测量中的微波一般是定向发射的, 通常用波束角来定量表示微波发射和接收的方向性, 对于常用的圆锥形喇叭天线来说, 微波的频率越高, 波束的聚焦性能越好, 即波束角越小, 更有利于避开障碍物;并且, 微波的频率越高, 其喇叭尺寸也可以做得越小, 更易于开孔、安装, 这些在实际应用中很重要。
例如:K波段 (24～26GHz) 微波 (雷达) 物位计需采用4″喇叭天线达到8°波束角, 而C波段 (5.8～6.3GHz) 微波 (雷达) 物位计需采用8″喇叭天线达到17°波束角, 这种较宽的波束, 如果安装不得当, 将会受到料仓内部结构产生的较多的虚假回波, 而SITRANS LR560由于其78GHz超高频技术 (属于E波段60～90GHz) , 用直径不到3″的天线就可达到只有4°的窄波束角 (见图2) 。X波段 (9～10.5GHz) 微波 (雷达) 物位计由于没有明显的应用特点, 近几年各大物位厂商基本上已经停止了这一技术的发展和应用。
SITRANS LR560非常窄, 只有4°的窄波束角, 可有效避开料仓中的障碍物, 且几乎不受安装立管的影响;最小3″的小尺寸天线, 在哪里都可以安装, 且搬运、开孔、安装都很方便 (较低频率需要使用大尺寸天线) ;超短的波长, 只有3.85mm, 可在倾斜的固态物料表面产生异常良好的信号反射, 针对固态物料安息角所需的瞄准器通常不再需要了。这些都受益于SITRANS LR560独创的78GHz技术。
4 高频雷达料位计的使用情况
我厂在过去十多年里在物位测量方面尝试了多种技术, 其中包括重锤、超声、激光、电容及其他品牌的微波 (雷达) 物位计, 但使用效果不佳, 测量不稳定, 且之前的很多料位计的维修成本相当高, 遇到突发情况, 也不能清洗更换, SITRNAS LR560以其安装简单、测量非常稳定、可靠、免维护的性能获得了良好的使用效果。
SITRANS LR560在我厂生料均化库进行试用, 效果非常稳定、可靠 (见图3) 。
在整个水泥生产工艺中, 生料均化库的料位的监测是最具挑战性的, 也是非常重要的。在水泥生产中不仅仅用均化库的物位读数来控制料仓的料位和均化的质量, 而且指定计划生产数量和安排关机时间都需要均化库的料位值。虽然这是一个关键过程, 但得到可靠的连续测量在过去几乎是不可能的。
因为均化库是将各种原料混合到均化状态, 料仓要求同时且持续地填料和放空以混合物料, 这就形成了不断变化的物料表面;均化库内结构复杂, 仓底为倒锥型结构, 并有底吹来均匀物料, 使得仓内不断装满各种气体, 产生浓度极高的粉尘和不清晰的界面。从生料库顶部观察, 只有不超过5m的可见范围;且生料均化库一般都为大量程应用, 我厂的生料均化库库高38m。这些都使得可靠的物位测量变得更加困难。
图4为SITRNAS LR560在我厂均化库料位的中控室数据趋势图。SITRNAS LR560不受均化库中极度粉尘的影响, 测量非常稳定、可靠, 保证了料仓物位的准确性, 提高了生产效率和产量。SITRNAS LR560可靠的物位监测使得经营者可实时、有效地控制生产过程。
我厂的熟料仓也进行了SITRNAS LR560的试用, 该熟料仓仓高28m高。熟料一般在装入料仓时温度还是很高的, 而且粉尘很大。高温、高粉尘对超声波技术而言是个很大的挑战, 因此我厂现在用SITRNAS LR微波 (雷达) 料位计, 来监控熟料料仓的物位。装料时溢出会涉及安全问题, 而SI-TRNAS LR微波 (雷达) 料位计确保了此类事情不会发生, SITRNAS LR560在熟料仓使用效果良好, 其回波曲线见图5。
5 结语
雷达液位计的应用浅谈 篇4
1 雷达液位计
1.1 测量原理
雷达液位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波, 这些波经被测对象表面反射后, 再被天线接收, 电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比, 关系式如下:
D=CT/2
式中D——雷达液位计到液面的距离;
C——光速;
T——电磁波运行时间。
雷达液位计记录脉冲波经历的时间, 而电磁波的传输速度为常数, 则可算出液面到雷达天线的距离, 从而知道液面的液位。
在实际运用中, 雷达液位计有两种方式即调频连续波式和脉冲波式。采用调频连续波技术的液位计, 功耗大, 须采用四线制, 电子电路复杂。而采用脉冲波技术的液位计, 功耗低, 可用二线制的24V DC供电, 容易实现本质安全, 精确度高, 适用范围更广。
1.2 接触式雷达液位计
接触式雷达液位计也叫导波雷达液位计, 分杆式和缆式, 由导波杆 (缆) 传输微波脉冲, 主要用于液体或固体的液位和界面测量, 适用于较广范围的温度和压力要求, 不受介质特性的影响, 例如:密度、粘度、电导率、粉尘等。
罗斯蒙特5300系列导波雷达液位计通过导波杆引导低功率、纳秒级微波脉冲, 进行液位物位测量。对于液体界面位置, 当微波脉冲第一次抵达上层介质表面时, 延导波杆反射部分微波回去, 未被反射部分继续向下到达下层介质表面, 即界面时, 也被反射回来。微波脉冲之间的时间差, 换算成距离, 即可得出总体物位或界面的位置。反射强度取决于被测介质的介电常数, 介电常数越高, 反射强度越大。因此该系列适用于大多数液体和固体的液位/物位测量, 以及液体界面位置测量, 其测量精度高达±3mm。
罗斯蒙特5300系列导波雷达液位计采用了直接切换技术 (Direct Switch Technology, 以下简称”DST”) , 使变送器和接收器之间的信号传输实现快速切换, 大大降低了传输中的信号损失。通过DST技术, 可获得更强的信噪比, 对于干扰因素的处理能力也更优越, 因而可测量范围能达到50m, 可处理的介质介电常数可低至1.4。该系列同时还采用了导波杆末段探测功能 (Probe End Projection, 以下简称”PEP”) , 提高了低介电常数和长距离测量的性能, 如果信号的表面回波丢失, 则使用导波杆末端作为参考来计算实际物位。
1.3 非接触式雷达液位计
非接触式雷达液位计也叫调频连续波雷达液位计, 主要通过调频连续波技术测量液位。通过天线发出的雷达信号被介质表面反射后, 天线会自动检测回波。由于信号频率是变化的, 回波频率与天线发出的信号频率不一致, 其频率差与距介质表面的距离成正比, 从而精确计算出液位。在复杂工况下, 反射能量会被削弱甚至完全消耗, 因此就需要更高灵敏度的雷达、最佳天线的类型, 以提高反射强度, 实现测量需求。
罗斯蒙特5600系列, 是四线制非接触式雷达液位计, 其灵敏度和性能是其雷达液位计产品中最高的。5600系列适合于在液位快速变化、工况条件极端的负责反应器中测量固体、液位或浆液的物位, 适用于高温高压环境。
2 FMTP项目中的应用
2.1 项目简介
中国天辰工程有限公司总承包华亭煤业集团有限责任公司年处理60万吨甲醇制20万吨聚丙烯 (FMTP) 科技示范项目 (以下简称”华亭FMTP项目”) 项目选址位于甘肃省平凉市华亭县安口镇石堡子华亭煤业集团60万吨煤制甲醇厂区二期。
2.2 FMTP装置选型与应用
FMTP装置是本项目的主反应装置, 根据工艺要求, 三个催化剂储罐需设置液位计, 实时监测催化剂的物位。由于催化剂为固体, 而且催化剂罐均为直径7米, 高约23米的大型储罐, 因此初步选型三台导波缆式雷达液位计。但是其中两个催化剂罐内分别储存热催化剂及废催化剂, 其最高操作温度可达400摄氏度, 于是最终确定这两台选用罗斯蒙特5601型非接触式雷达液位计, 而常温状态的催化剂储罐则选择用罗斯蒙特5302型导波缆式雷达液位计。
本装置区内甲醇进料罐, 根据工艺要求要设置液位计, 考虑介质为常温常压下的甲醇液体, 故综合考虑选用罗斯蒙特5301型导波杆式雷达液位计。
2.3 PP装置选型与应用
本装置区主要为聚丙烯合成装置, 根据工艺包商鲁姆斯Novolen的工艺要求, 共有5台设备需设置导波雷达液位计。其中2台缓冲罐内介质为常温常压的液体, 故选用罗斯蒙特5301型导波杆式雷达液位计。另外3台粉料手机罐内介质为聚丙烯粉末颗粒, 故选用导波缆式更为合适, 即罗斯蒙特5302型。
2.4 球罐区选型与应用
球罐内介质基本上均为常温状态下单一介质液体, 因此本项目球罐均选用5301型导波杆式雷达液位计, 用于测量球罐内的液位。
3 结语
通过华亭FMTP项目, 初次接触了雷达液位计在煤化工项目中的选型与应用, 。雷达液位计以其高度准确、可靠的直接测量技术, 及无需补偿、无活动部件、无需校准的简洁精确设计, 相信会在煤化工行业的物位及界面测量中, 扮演越来越重要的角色。
摘要：本文主要介绍雷达液位计的原理、类型、特点, 以及罗斯蒙特雷达液位计在华亭FMTP项目中的选型与应用
关键词：雷达液位计,FMTP,物位测量,界面测量
参考文献
[1]薛昊洋.雷达液位计在湿法冶炼的应用.科技致富向导, 2015, (12) :277~278.
[2]罗斯蒙特5300系列产品数据表.2014.10:1~3
基于相位差的雷达料位测量系统 篇5
随着工业生产过程的日益现代化,炉窑的液位或料位已经成为重要的检测与控制参数之一。传统的非接触式料位测量方法有机械探尺、视频监视、红外成像等手段。雷达料位测量系统主要应用于一些不能用常规仪表进行监测的特殊工况,安装简便,可靠性和准确度高,无机械磨损,可以长期稳定运行,因此可以在现场中广泛应用[1,2]。本文研制了一种测量距离在2~50米,适应在高炉等恶劣工况下的高精度雷达,文中设计了雷达测量系统的硬件组成,并对数字信号处理算法进行了改进。
1 系统结构
雷达料位测量系统包括雷达发射和接收电路、供电系统电路、滤波放大电路、人机界面等几个部分,系统组成框图如图1所示。
雷达料位测量系统工作时,通过数字信号处理器控制压控振荡器产生24GHz连续等幅高频等幅信号,该信号通过隔离器和环行器加至天线发射出去。经目标反射回来的回波信号与发射波信号在混频器中混频输出中频信号。中频信号的频率与目标距离相关,采用滤波网络和放大电路,对中频信号中可能存在的谐波、余波进行滤除,并对有用信号进行放大保持,确保将中频信号送往信号处理与显示模块。由于料位测量系统是单目标测量,理想情况下中频信号为一个固定频率的正弦波,所以料位的测量可归结为对正弦波频率的测量[3]。
2 系统硬件设计
2.1 雷达发射模块的设计
雷达波发射模块主要由ADF4107和VCO构成,结构框图如图2所示。ADF4107锁相芯片,能够实现本地振荡器。测量系统发射模块主要通过对VCO的控制来实现雷达波的发射,而对VCO的控制则采用DSP的McBSP口对锁相环进行控制来实现。系统设计雷达波发射频率为24GHz,由于ADF4107最高工作频率为7GHz,直接由ADF4107控制高频波的发射存在困难。这里设定ADF4107发射频率为6GHz,经过硬件放大实现24GHz雷达波。
在硬件设计中,雷达波发射模块增加了使能端,当需要发射雷达波时,通过I/O口使能该模块,否则禁止该模块工作,以降低整个系统的功耗。
2.3 滤波放大电路
高频头输出的信号主要包括:高频端子回波信号、两个扫频周期过渡时,电容放电引起的噪声、系统本身引入的噪声、目标物体周围各种设备引入的噪声等。因此,需要进行滤波,提取并放大有用信号。
经实验,本系统滤波器均采用4阶切比雪夫滤波器,其中高通滤波器截至频率为250Hz,低通滤波器截至频率20kHz。A/D模块采用F2812自带的12位模数转换模块。自动增益放大器采用AD公司的OP4177,通过其SPI接口与DSP进行通讯,通过软件设置电位计的值,实现自适应放大的目的,中频电路输出信号范围为40uV~400mV。
2.4 通讯模块及人机界面
由于本系统要求使用4~20mA的信号传送测量结果。使用HART协议数字通信的方式和控制设备交换仪表设置参数、中间测量数据、校准参数等信息。
人机界面设计主要包括LCD液晶的显示以及键盘的设计。在系统工作过程中,DSP需要完成人机交互、显示,并通过通讯模块将主要测量数据传输到现场设备。本系统选用的液晶显示模块采用内置T6963C控制器型液晶,由液晶显示控制器T6963C及其周边电路,行驱动器组,列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成。
3 改进相位差算法
对雷达中频信号的处理方法很多,相位差法是常用的方法之一。传统的相位差法[5]是通过频谱最高值的相位进行校正,其校正方法为:采两段信号,分别进行FFT,得到两组频谱数据,分别找出两组频谱数据中幅值最大的谱线,求出各自的相位值,然后将两相位值相减,得到公式(1)。
其中,φ1、f1、φ2、f2分别是第一段采样信号、第二段采样信号频谱最高值的相位、频率值,μ1、μ2分别是第二段采样信号相对于第一段采样信号的平移相对量及所加窗长相对量,T为所加对称窗的窗长,Δf为频率校正量,Δφ是两个频谱最高处相位的相位差。
则最高值谱线校正量
则次高值谱线校正量
频率校正量Δk与频谱最高值与频谱次高值的比值相关。比较最高值误差绝对值与次高值误差绝对值的比值与Δk的关系,结合matlab仿真结果得到:无噪声情况下的最高值误差绝对值与次高值误差绝对值比值曲线的规律类似于一个1/x函数,同时曲线过点(50,0),结合Δk自身的规律,现构造一个变量。曲线基本与最高值校正误差绝对值与次高值校正误差绝对值的比值吻合,所以确定为加权校正量,校正公式为:
4 工业实现与应用
仿真表明:有噪声境况下,加权校正结果误差比单纯使用频谱最高值或次高值得到的结果误差小。图4中显示为15.01k Hz-15.09k Hz频率段校正结果。
Matlab仿真结果表明:采样频率为102.4k Hz,采样点数为1024点,信噪比为30d B情况下,使用改进的相位差法得到的频率校正误差小于0.041mm,而传统相位差法在相同情况下的频率校正误差是小于0.115mm。
采用改进的相位差法,进行数字信号处理,结合硬件实验结果显示,本雷达料位系统的测量精度为1.5%,基本上满足了高炉料位测量的需要。但同时系统设计还存在一些需要改进的地方,如电源精度不高,导致系统工作不太稳定;微波发射装置发热量比较大,缺乏散热装置,给系统增加了热噪声,这些都使得实际测量误差大于仿真误差。
5 结束语
本文对常用的料位检测技术进行了分析研究,设计研制出一套基于DSP的雷达料位测量系统,并对系统进行了硬件设计及信号处理技术的研究。利用DSP的McBSP口对锁相环进行控制,实现的雷达波发射,采用倍频放大的方式获得24GHz的雷达发射波。中频信号经过滤波放大,及信号处理,通过人机界面进行显示。仿真表明信噪比30dB的情况下,改进的相位差法,精度可以达到0.041mm,比传统的性位差法提高了测量精度。实验表明该测量系统整体性能稳定,在测量实际距离时能实现1.5%的测量精度。该测量系统的研究为炉窑内的料位、液位测量提供了一个新的控制策略。
摘要：研究了一种低成本、高精度工业雷达料位测量系统,设计了雷达的发射装置、信号的滤波放大电路,以及人机界面。对雷达中频信号的处理,文中采用改进的相位差法,在传统的相位差法只取频谱最大值的相位信息的基础上,加入频谱次高值的相位信息,并将二者加权拟合,确定校正公式,得到更高的校正精确度。经过测试,该测量系统可以克服环境影响,实现稳定可靠的测量,满足工业现场料位测量的需要。
关键词：高炉,雷达,料面测量,相位差
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基于K波段的雷达水位计设计 篇6
关键词：K波段雷达,非接触式,DDS,FPGA,水位传感器
若干年前,国内水位测量大多以传统接触式机械水位计为主,存在安装维修困难、操作不便、测量精度低等缺陷。随着水利信息自动化过程的到来,近几年,电子式水位计正逐步替换掉老旧的机械式水位计。当今,国内广泛应用的是超声波式水位计,激光式水位计,多极板电容式水位计等,但上述水位计受液面环境影响大适用性不大。而雷达水位计从原理上避免了超声波式、激光式等非接触式水位计受各种环境因素干扰以及传统接触式机械水位计易磨损老化的弊端,可以在产品上做到高可靠性、高稳定性、低功耗,具有更好的技术可行性和实用性。由于无接触性设计,K波段雷达水位计不受水质影响,可以在重污染场所或者强腐蚀性等特殊环境下使用;测量程序中每秒多次独立测量的波动补偿可以去除浪抖;雷达波传播不受风、温度、湿度,雷达波反射不受液面环境影响,适用于生长水草或者漂浮物的河面;小型化通用设计,配合万向悬挂架,在不平整的地方也可方便安装。而高频电磁波易受到雨滴干扰,大雨天时测量准确度降低;总体造价较高。
1工作原理
K波段雷达水位计采用雷达测距效应,用无接触的方法测量水面高度。雷达波以光速发射并反弹再被接收,其差时可以通过电子部件测量并被转换为水位信号。通过一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间内稳定和精确的测量。再利用水位遥测终端,将雷达信号采集,传输,完成对水位的测量。
由信号激励系统产生22～26 GHz的经三角波线性调制信号调制后的高频振荡载波信号,经定向耦合、放大等电路送至天线端进行发射。发射出去的信号在遇到障碍物时返回,形成天馈系统的回波输入。接收单元电路在通过一系列预处理后,与发射系统定向耦合过来的信号进行两级或多级差拍,差拍后的信号就包含有目标的距离信息。
在不考虑其他因素条件下,测目标距离为R,光速已知,则雷达接收到的回波信号在时间上与本振信号相比将有t=2R/C的时间延迟,将回波信号与发射信号相干混频得到的拍频信号即为延迟时间内信号频率的变化。
式中:R为目标距离;c为光速;Tm为调制周期;B为频偏量;fb为平均差频。
2硬件结构设计
K波段雷达水位计采用小型化设计,主要由激励信号系统,天馈系统,信号处理系统,电源部分,外观示意图如图1所示。
2.1激励信号系统
雷达激励信号系统由高频时钟、DDS、滤波电路、倍频电路、调幅电路等组成。在高频时钟产生的时钟信号激励下,由DDS内部波形储存器的数据决定波形与频率,产生波,再经过滤波电路、倍频电路、调幅电路等得到雷达所需线性调频连续高频波,最后作为目标回波信号和雷达系统的本振系统分别输出给天馈系统和接收电路。
DDS由于模块化设计结构,输出波形由波形储存器中的数据决定,DDS可以直接输出正弦波,方波,三角波,锯齿波等波形。三角波波形简单,波峰明显,结果精确,抗噪声性能好,所以雷达波形设计采用两级不同步进斜率的三角波,波形设计如图2所示。
在高频雷达系统中,信号的频率与测量精度相关,根据技术指标要求0～20 m的水位计精度必须在±10 mm内。
因为频率计数只能读出整数值,而不能读出分数值,用线性连续调频波雷达测距的结果是离散的,表达式为:
式中:k1为离散频率差值;c为光速;B为频偏量。
当固定误差ΔR在±10 mm内,频偏量B要大于3.75 GHz,则雷达的工作频率应当大于20 GHz,在此设计中,我们选取中心工作频率为24 GHz,频偏量为4 GHz,22～26 GHz的信号。这个频率为K波段(18～27 GHz)雷达波。由DDS产生220～260 MHz激励信号,经过两次5倍频和一次4倍频和若干放大滤波电路之后产生,最终得到22～26 GHz信号。如图3所示。
2.2天馈系统
天馈系统由一个平面天线和小型环形器组成。平面天线为收发分用式,由激励信号系统产生的高频发射信号通过环形器进入平面天线,再由平面天线发射出去,遇到目标,形成回波,再次进入平面天线,并通过环形器进入接收电路里。
平面天线采用标准增益平面,口径控制在20 cm内,厚度为2 cm以内,增益为6 dBm,雷达波波束宽±2°。环形器隔离度为20 dB。由于发射功率为0,假设近距离全反射,不至于烧毁接收机电路,发射面较远时,发射信号进过20 dB隔离后的泄露到接收通道时已经衰减为-20 dBm以下,也不足以干扰接收机的正常工作。
2.3信号处理系统
差频信号进过A/D采样后,再进入FPGA芯片进行FFT(快速傅里叶变换)及后期处理,由于DDS变频是阶跃的,因此混频后的差频信号主要包括2个频率组,通过FFT后分析出差频信号中的频率分布特性,并通过噪声拟合处理、一阶矩估计和频率积累,求模,上下扫频分别得到上差频和下差频,最终计算出平均差频fb。再经过式(1)计算,得到水位和雷达距离R,再由雷达高h,得到水位高H=h-R。
FPGA将结果H输出给单片机,单片机可以按预定程序对接收到的H进行处理,多次计算平均值减小误差,剔除错误数据等。单片机通过储存模块,将H按预先编写的程序按时段或者按水位高或者其他要求储存;通过MMI(人机交互界面)模块,操作者可以通过操作键盘将水位高H或者其他信息显示在LCD上;通过通信模块,以485总线,can总线或者usb总线的方式将信息传输到远端主控设备上。
雷达由单片机控制,实际测量方式灵活多变,比如可以根据用户需要采用定时自动测量,自动发送数据,超越警戒自动报警,警戒状态自动高密度监测,雷达状态自动回馈等形式(见图4)。
2.4电源部分
电源部分除了采用低功耗电路设计外,还采用了工作休眠双模式体制,不仅可以定时工作,也可以接到工作指令后开机,其他时间进入休眠模式,保证了雷达设备可以长期低功耗工作。具体实现方式如图5所示。
电源模块采用DC-DC设计,实际使用中可以外接电源,也可以采用内置可充电大容量锂电池供电。
考虑到该设备可能长期野外无人值守,且无需不间断测量,因此引入低功耗待机模式,通过关断雷达通信模块以外的所有电源,以达到低功耗的目的。当雷达接到远程控制信号通过通信芯片传达的“待机模式”指令后,单片机立即关断继电器,使得雷达其他电路断电,仅保留通信芯片和单片机部分的正常工作。通过计算,该模式下的工作电流预计低于0.5 mA,即满足指标提出的12 VDC,0.5 mA的要求。
3系统软件设计
K波段雷达水位计的软件设计主要有系统初始化、雷达波采集处理、数据传输、低功耗模式控制、数据显示、上位机通信等。系统主程序流程图如图6所示。
程序代码主要在FPGA和单片机中。其中FPGA主要负责雷达波采集和处理计算,单片机负责其他。系统上电后,进入初始化,单片机设置其看门狗定时器、时钟模式、各控制端口寄存器。之后进入正常工作模式,单片机总控各单元。在FPGA进行回波信号压缩之后,回波信号内含地物杂波和气象杂波等信杂,且水流为动目标,先采用固定目标消除,再利用MTI(动目标显示)和MTD(动目标检测)来抑制杂波,还需进行CFAR(恒虚警处理)来使检测目标具有特定虚警概率和检测概率,最后进行混频波处理,完成差频运算,最后将结果输出给单片机。单片机中含MMI模块用于显示水位即时数据和本控设置;上位机通信模块用于接收上位机指令或传输数据;智能能耗控制模块控制“休眠模式”;预警模式对最后得到的水位数据进行分析判断是否预警等。
4调试结果与分析
雷达水位计模型与SW40浮子水位计比测试验。为检查所测数据线性度,做误差分析,其中数据都为水位计绝对高程和当时测量水位差值(见表1)。
分析得出,线性度较好,在测深为0～10 m时,雷达水位计的误差在±10 mm内;当测深为10 m时,误差变大,在±20～±30 mm。随着波束角扩大,回波三角波波峰分析的模糊度变高,精度降低,误差变大。且误差并没有随机分布,总体数值偏大。
K波段雷达水位计的误差主要表现系统误差。由于系统电路内部传输信号都是电子信号,在常温常态下,电路性能稳定性和抗干扰能力较好,对误差影响最大的是安装条件(安装角度)和雷达高频波信号分析灵敏度,安装角度通过精确调节可校准。升高精度的解决方案:①减少波束角,取决于天线特性,可以通过实验调研选取更小波束角的天线;②提高频偏量的范围。系统仍在调试开发测试,减少误差,提高精度。
5结语
当前国内还未研制出成熟的可用于实际生产测量的雷达水位计,当前使用的雷达水位计几乎都是国外生产制造的,价格高,维修周期长。本文设计的K波段雷达水位计,利用K波段雷达测距效应,实现了水位监测自动化。智能化程度高,监测现场无需专人值守,结构简单,体积小。经过测试调试,性能稳定,效果较理想。
参考文献
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雷达料位计 篇7
1 石油化工业中导波雷达液位计使用概况
导波雷达液位计为根据时域反射的原理进行设计的一种仪器。它的电磁脉冲波用光速沿着波导体 (探头) 向下传送, 在遇到被测的介质表面时, 其部分脉冲可被反射形成回波而且沿相反的路径返回至脉冲发射装置, 使用超高速的计时电路 (电子表头) 能精确地测量出脉冲波传导的时间, 发射装置和被测介质的表面距离和传导时间应成正比, 通过计算就能够得到液位的高度。
1.1 导波雷达液位计的组成
导波雷达液位计主要包括有液位计电子表头和过程连接以及探头三个部分。其过程的连接包括有法兰连接和螺纹连接两种, 导波雷达液位计很适用在测量绝大部分过程的容器及储罐, 连接容器与旁路容器的液位, 其测量温度与压力限制在探头的额定温度与压力范围里。其外假若工艺过程的温度太高, 还能把导波雷达液位计放在容器中的旁路管里, 如此也可起到一定降温的作用。
1.2 导波雷达液位计的测量原理
脉冲发射的装置进行电磁波信号的发射时, 到达介质的表面后返回后, 信号会逐渐衰减。这时候信号的强度同介质介电常数是成正比的, 介电常数数值越大, 其反射的信号也就越强;而相反的, 反射的信号越弱。现在导波雷达液位计可以测量最低的介电常数是1.4的介质液位。其外高导的电性介质 (比如水) 产生的较强反射脉冲;但低导电性介质 (比如烃类) 可产生比较弱的反射脉冲, 低导电性的介质让有些电磁波可沿探头 (波导体) 经过液面继续向下传导, 一直到全部消散或者被一种较高的导电性介质反射回来。依照这一特征, 能采用导波雷达液位计测量这2种液体界面 (比如油或水的界面) , 需要具备的条件为界面下的液体的介电常数应该远远大于界面上的液体介电常数。
2 雷达液位计
2.1 石油工业中雷达液位计使用原理
雷达液位计为一种非常先进的适用与石油工业的应用脉冲雷达技术确定物位的测量仪表。可发射出一串雷达脉冲并将反射回波进行分析从而计算出距离。它在结构包含一个带有外壳的电子元件, 将其安装在一个带有法兰的天线部件之上。电子部件会产生5.8GHz的雷达信号, 并将信号直接送至天线, —个连接至法兰安装中心的Teflon材料的绝缘棒。且雷达信号以天线作为轴线进行发射, 并且沿这个轴线在限定锥形束角里进行推进传播, 雷达信号用反比于距离的二次方的强度逐渐衰减。雷达信号在发射以后, 会遇到被测液体的表面然后反射回来, 其反射回波可在电子单元接收器内被天线接到。回波是由容器里产生状态变化的包络线进行存储。对此包络线进行分析那么雷达天线与物料表面间的距离也就可被计算出来。
2.2 雷达液位计的特点
(1) 安装使用ANSl, DIN法兰或者卫生型的卡箍, 不需要动火, 危险性比较小;
(2) 其结构比较耐腐蚀, 多为铝制或者不锈钢的外壳, 其寿命比较长;
(3) 可以连续使用, 不需要使用人工测量;
(4) 发出的信号可远传, 有利于观察液位改变;
(5) 其计量的精确度比较高, 而且产生的误差比较小。
3 导波雷达液位计与雷达液位优缺点比较
导波雷达液位计同雷达液位计在石油工业中的应用上各有其优缺点。两者在一般情况是可以通用的。使用普通的雷达为非接触式的测量, 使用导波雷达为接触式的测量, 也就是说导波雷达更加需要对介质腐蚀性与粘附性进行考虑, 且过长的导波雷达在安装与维护方面愈加困难。但普通的雷达可互相交换使用, 但导波雷达因为导波杆 (缆) 的长度按照原工况来确定, 通常是不可互相交换应用的, 而受到这种影响使导波雷达在型号选择上比普通的雷达更麻烦。对固体物料进行测量的时候, 导波雷达还需要考虑到导波杆 (缆) 受力的具体情况, 正因为受力原因通常用导波雷达测量的距离不会太长, 但是普通雷达可在三十或40米罐体上使用, 有时甚至能测量到六十米。但在某些特殊的工况下导波雷达是有明显的优势的, 比如罐内有搅拌, 或者介质波动大等这样的工况使用底部固定的导波雷达进行测量, 得到的数值比变通的雷达稳定的多;另外还有小罐体里物位的测量, 因为安装测量的空间小 (或者罐内的干扰物比较多) , 通常普通雷达的是不适用的, 此时导波雷达所具有的优势也就得到了充分体现;另外低介电常数的工况下, 不管雷达或是导波雷达其测量原理均为根据介质介电常数的差别, 因为普通的雷达发射的波是发散的, 在介质介电常数过低的时候, 信号太弱则测量的结果不稳定, 但导波雷达波因为是沿导波杆进行传播信号的, 所以相对稳定, 而且一般的导波雷达也具有底部探测的功能, 能按照底部的回波信号测量的值进行修正, 让信号更加稳定和准确。
4 结语
概言之, 在石油工业中使用导波雷达液位计的测量数据不受设备形状的左右, 而且也不被介电常数、温度以及压力和密度等不同条件变化影响, 其测量的长度不需要标定, 得到的测量数据具有精度高、可重复性和分辩率高的特点, 具备多种的探头类型与材质能进行选择, 且数字化的显示也可供选, 并且维护量少, 能很好地用于石油化工的设备中对烃类和其他的介质液位的测量。伴随其价格不断降低, 其性价比也逐步得到提高, 所以GWR的应用将会越来越广泛。而雷达液位计为一种非接触式的无可动部件的真正免维护的液位测量仪表。这种仪表通过多年的实践应用和技术改进, 现在也广泛应用在石化行业, 也得到了用户的认可。液位测量仪表种类繁多, 每种测量方式均有其特点和针对性。雷达液位计在液位测量中可以满足一定的测量要求, 其工作性能稳定可靠, 操作方便安全, 抗干扰能力强, 可测介质多, 可以达到较高的测量精度, 所以雷达液位计必然会以其特点和优势在石化行业中得到广泛的应用。但雷达液位计同样具有其局限性, 如过高的价格, 对介质的相对介电常数有一定要求等。因此在选用时, 应按照实际应用场合的需求、工程项目特点、设计条件和费用等方面来综合考虑, 保证经济适用、安全可靠。
参考文献
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雷达液位计在煤化工企业中的应用 篇8
1 概述
工业生产中经常会遇到对容器内固体或液体的物位测量的情况, 针对此情况, 人们制造出了物位测量仪表, 并用其对容器的物位进行了相当精确的测量。目前已知的物位测量仪表可分为静压式液位计、浮力式液位计、雷达液位计、超声波物位计、核辐射式物位计、电容式物位计、玻璃液位计、电极式液位计、音叉料位计等。雷达液位计则是专门测量容器内介质液位的一种物位测量仪表。
雷达液位计是通过天线向被测介质物位发射微波, 然后测出微波发射和反射回来的时间而得容器内液位的一种仪表。雷达液位计的特点有以下两点:第一, 无位移、无传动部件, 非接触式测量, 不受温度、压力、蒸汽、气雾和粉尘的限制, 适用于粘度大的介质、有毒或无毒卫生型介质、有腐蚀性介质的物位测量[2]。第二, 雷达液位计没有测量盲区, 精确度 (分辨率) 可以做的很高, 液位测量误差最高可达1mm (特殊情况下可达到0.1mm) , 故其是一款精度极高的计量仪表, 可作为商用计量仪表[2]。
拜城县众泰煤焦化有限公司为了清晰准确的了解生产区域内各个容器内介质的液位变化情况或有无泄漏情况的发生, 需要对焦炉煤气净化回收过程中相关设备工作环境内介质液位进行测量, 及时了解容器介质分布情况。公司在一些容器内均安装有雷达液位计, 并通过网络通讯设备将液位监测信息及时传到工业调度控制中心, 并通过监控设备实时监控现场环境变化, 其检测数据的准确性和及时性在安全生产中发挥了极其重要的作用, 下面就其结构和工作原理进行详细的介绍。
2 雷达液位计的工作原理
2.1 组成概述
雷达料位计由天线系统、电子部件、微处理器组成。天线系统的作用是为了发射微波脉冲和接收反射回波, 电子部件将时间信号转换成物位信号, 微处理器可以准确分辨出物位回波去除虚假回波。雷达液位计的结构示意图如图1所示。
2.2 测量原理
雷达料位计的天线系统发射极窄的微波脉冲, 这个脉冲以光速在空间内传播, 遇到被测介质表面, 其部分能量被反射回来, 被同一个天线系统接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线系统到被测介质表面的距离成正比。通过测量天线发射波与介质液位反射波之间的时间差与微波波速之间的关系来实现容器介质液位的测量。由于电磁波的传播速度极快, 发射脉冲与接收脉冲的时间间隔很小 (纳秒量级) 很难确认。所以需要采用一种特殊的相关解调技术, 可以准确地识别发射脉冲和接收脉冲的时间间隔, 从而进一步计算出天线到被测介质表面的距离[3]。
目前有两大类雷达液位计, 一类是发射频率固定不变, 通过测量发射波和反射波的运行时间, 并经过电子部件被转换成物位信号。一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间内稳定和精确的测量。即使工况比较复杂的情况下, 存在虚假回波, 用最新的微处理技术和调试软件也可以准确的分析出物位的回波[4]。这类雷达液位计的运行时间与液位距离的关系为t=2d/c式中:c:电磁波传播速度;d:被测介质液位和测量探头之间的距离;t:探头从发射电磁波至接收到反射电磁波的时间, 单位s。另一类是测量发射波与反射波之间的频率差, 并将这频率差转换为与被测液位成比例关系的电信号。这种液位计的发射不是一个固定频率, 而是等幅可调频率[5]。
3 雷达液位计的安装及通讯
新疆拜城县众泰煤焦化有限公司在工艺罐体反应装置、地下放空槽体、产品存储设施、地下水处理设施均安装有雷达液位计。自雷达液位计安装以来, 总体使用效果良好, 在长期的使用和设备维护过程中了解了设备的特性并积累了大量的现场经验。
3.1 安装要求
天线发射微波脉冲时, 都有一定的发射角。从天线下缘到被测介质表面之间, 由发射的微波波束所辐射的区域内, 不得有障碍物。因此安装时应尽可能地避开容器内设施, 例如:人梯、限位设备、加热设备、搅拌设备、支架等。另外须注意微波波束不得与加料料流相交。雷达液位计设计安装时应注意以下几点:
(1) 最高液位不得进入液位计测量盲区。
(2) 液位计距容器壁必须保持一定的距离, 一般不少于200mm。
(3) 液位计的安装方向应尽可能使天线的发射方向垂直于容器内被测介质的液面。
(4) 如液位计安装在防爆区域内, 必须遵守国家防爆危险区的安装规定。
(5) 防爆型液位计的外壳采用压铸铝金属材料。
(6) 防爆型液位计可以安装在有防爆要求的场合, 液位计必须可靠接地。
(7) 对于锥形容器且容器顶部为平面, 则液位计的最佳安装位置是容器顶部中央的位置。
(8) 对于安装在室外或者极其潮湿环境的液位计, 应做遮阳, 防雨和防潮处理。
(9) 被测容器接管的长度必须保证探头伸出接管10mm以上[6]。
(10) 仪表不可安装在拱形或圆形的灌顶位置, 容易造成多次反射回波, 影响测量精度。
3.2 雷达液位计的通讯
雷达液位计的通讯系统的最基本的构成包括专用的数据采集系统、探测器、信号处理单元及其通讯线路。其构成应满足以下要求:
(1) 选用4~20m A输出作为通讯信号, 将输出信号传递到信号处理单元在中央控制室电脑显示并设定相关的联锁保护系统及报警记录设备。
(2) 若液位信号达到报警值以后立即触发相关联锁装置使液位远离报警液位。
(3) 雷达液位计的数据采集系统, 采用专用的信号处理单元, 具有独立的供电电源和备用电源, 不能接入其他信号处理单元, 以避免数据处理紊乱。
(4) 按照雷达液位计安装规范设置液位报警记录设备, 报警的历史数据能够作为分析处理故障的依据。
4 影响雷达液位计测量的因素
4.1 压力
雷达液位计虽然在传播微波信号时不受容器内空气密度的影响, 所以在真空或受压的环境下也能正常工作。但是由于液位计的结构原因, 当容器内的压力高于某一范围时, 雷达液位计就会产生较大的测量误差, 故其在使用过程中不能使容器内压力超过该允许压力。当然不同公司的产品使用过程中对容器的最高压力要求是不同的, 选型时需特别注意。
4.2 温度
雷达液位计在传播发射微波时, 不需要空气作为传递介质, 故容器内空气的温度变化对微波的传播速度没有任何影响。但是, 雷达液位计的天线系统、电子部件、微处理器却不耐高温, 所以高温环境中雷达液位计测量会有部分误差, 必须保证天线系统处于合适的工作温度才能正常工作。
4.3 被测介质的相对介电常数
介质的相对介电常数是由其本身决定的, 因此不同的介质拥有不同的相对介电常数。如果介质的相对介电常数过小, 则会造成反射微波的衰减增大, 造成反射微波的信号极大地衰减, 影响测量数据。
4.4 液体的湍动和气泡
液体的湍动和气泡不仅会造成微波的散射和吸收, 还会造成微波的反射和折射, 二者都会使反射回的有效微波信号的强度受到极大地衰减, 影响雷达液位计的正常测量。
5 雷达液位计的管理措施
雷达了液位计自投入运行以来, 提高了对生产现场容器液位在线监测的准确性和稳定性, 通过对容器液位精确的测量、监测和联锁保护, 给操作工人判断设备运行环境中设备运行状况提供了很好的依据, 直接为生产系统的安全稳定运行提供了可靠保障。
由于化工生产现场环境比较复杂, 容器液位的测量受到多方面的影响, 如果不能精确的测量出容器的液位变化情况, 极易发生不可挽回的安全事故, 造成人员和财产的重大损失。针对如何解决化工生产中雷达液位计的安装、使用、维护和故障处理, 提出以下建议:
1) 针对被测量介质的属性, 测量环境和容器结构等状况进行雷达液位计的选型工作。
2) 严格按照雷达液位计的安装规范, 进行液位计的安装。
3) 必须严把采购时雷达液位计的质量关, 必须严格按规定采购符合国家及行业标准的产品。
4) 必须保证雷达液位计安装前经国家相关标准计量部门进行检定, 检定合格后, 方可投入使用。并建立检定台账, 确保雷达液位计按时进行检定, 测量值准确可靠。
5) 建立雷达液位计安装使用台账, 掌握其分布, 及时记录更新每台仪表的测量数据, 实施动态化管理。
6) 加强对设备的日常维护工作, 做到及时发现隐患, 及时处理。
7) 对于特殊重点容器内液位计的安装使用, 可使用双液位计, 即安装两种不同测量方式的液位计, 强化了容器液位测量的准确性。
摘要：工业生产环节中, 对各种生产罐体、产品储罐及地下槽体的液位进行精确测量对整个生产过程中设备的安全运行起着重要的作用。通过对拜城县众泰煤焦化有限公司生产过程中使用的雷达液位计的基本原理、使用特点和影响因素的详细介绍, 为化工企业生产中雷达液位计测量仪表的选型、安装和管理提供了参考。
关键词：雷达液位计,液位,测量,选型
参考文献
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[4]周劲松, 张霞.雷达液位计应用浅析[J].安徽化工, 2009, (6) :12-14.
[5]朱炳兴, 王森.仪表工试题集[M].北京:化学工业出版社, 2002.