1 引 言
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的料位计,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。
而雷达料位计在槽罐中有搅拌、温度高、蒸汽大、介质腐蚀性强、易结疤等恶劣的测量条件下,更显示出其卓越的性能。本文简介了雷达料位计的测量原理、性能特点、选型以及应用情况,分析了它在应用中存在的问题及解决办法。
2 雷达料位计的基本原理
雷达波是一种特殊形式的电磁波,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300 MHz~3 000 GHz。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。
雷达式料位计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-接收是雷达式料位计工作的基本原理。它又分为时差式和频差式。时差式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,并经过智能化信号处理器,测出被测液位的高度。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,c=300 000 km/s;d———被测介质液位和探头之间的距离,m;t———探头从发射电磁波至接收到反射电磁波的时间,s。频差式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。这种液位计的发射频率不是一个固定频率,而是一等幅可调频率。
3 雷达料位计的选型
天线是雷达料位计的眼睛,天线的形状必须适合电磁波的物理特性。天线的外形决定雷达波的聚焦和灵敏度,就如同麦克风的灵敏度一样。
(1)喇叭口天线适用于绝大多数场合,聚焦特性特别好。工作压力可达64 bar(1 bar=100 kPa)。如果采用相应的冷却措施,被测介质的温度可达1 000℃。在现场许多存储罐和反应槽选用此类型天线。但不适用于腐蚀性介质的测量。
(2)棒式天线的安装法兰尺寸小,化学稳定性很好,易清洗对冷凝水的粘附不敏感,特别适合于测量腐蚀性介质,工作压力可达16 bar,被测介质的温度可达200℃。其发射角较大,信噪比小,常用测量条件较好的槽罐及用于腐蚀性介质的测量。
(3)法兰下置型天线适用于高温介质、腐蚀性介质或不能在顶部安装的测量环境。
(4)安装套管的天线:套管对雷达波具有聚焦作用。当介质介电常数较低(1.6~3)或液面产生持续涡流或容器内装置造成假反射时,可选该类表。天线装在导波管中或旁通管中,套管会对运行时间产生影响(取决于套管内径),所以要将套管的内径输入电子部件,以对运行时间的变化进行补偿。另外要求被测介质的流动性比较好,不易形成挂料。
(5)外壳的材质:铝壳仪表不耐碱的腐蚀,在这种场合尽量选用塑料的。
(6)槽、罐比较高时宜选用抛物面天线(聚集性好)。
4 雷达料位计的安装
(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,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安装方式。
(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10 mm。棒式天线接管长度100 mm或250 mm。接管直径250 mm。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(由于雷达信号的极化,只有在这个方向上,才能保证稳定可靠的测量)。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。