李 軍

(1.西安石油大學(xué)，西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司延安煉油廠，陜西 延安 727406)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)以導(dǎo)波桿(纜)結(jié)構(gòu)作為傳輸介質(zhì)，具有信號(hào)損耗小、回波質(zhì)量高及能耗損失低等諸多優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量效果不受真空、密度變化、壓力變化、劇烈的空氣流動(dòng)及劇烈的溫度變化等影響，同時(shí)對(duì)粉塵環(huán)境和揮發(fā)性液體的氣相成分、物料表面的波動(dòng)、泡沫和障礙物相對(duì)不敏感[1]，還可測(cè)量界位?；谏鲜鲋T多優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)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(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司延安煉油廠苯乙烯裝置在儲(chǔ)罐及塔器等液位測(cè)量的設(shè)計(jì)中，大量采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)液位的較準(zhǔn)確測(cè)量。但是，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)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(duì)性地提出了解決辦法。

雷達(dá)液位計(jì)采用時(shí)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(cè)介質(zhì)表面時(shí)，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(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)射脈沖和回波脈沖的時(shí)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(shí)間原理(TOF)：發(fā)射出一個(gè)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(cè)量運(yùn)行時(shí)間T，計(jì)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(jì)采用TDR原理與等效時(shí)間采樣(Equivalent Time Sampling,ETS)技術(shù)，測(cè)量發(fā)射與反射脈沖之間的時(shí)間差，通過等效時(shí)間采樣技術(shù)將納秒級(jí)的傳導(dǎo)時(shí)間放大為毫秒級(jí)，采用優(yōu)化的識(shí)別算法進(jìn)行處理，對(duì)虛假回波進(jìn)行有效抑制和屏蔽，從而達(dá)到精確測(cè)量的目的。

2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

常見的回波法液位儀表有：超聲波物位計(jì)、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(huì)受到傳播介質(zhì)穩(wěn)定程度的影響。引起空氣波動(dòng)的因素很多，如粉塵、氣浪、蒸汽及料流等，同時(shí)會(huì)降低回波質(zhì)量，致使液位計(jì)很難識(shí)別出有效回波，直接影響測(cè)量效果。超聲波在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)要考慮被測(cè)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(shí)，建議用低頻超聲波物位計(jì)。

Radar一詞來源于無線電探測(cè)和測(cè)距(Radio Detection and Ranging)，因非接觸式雷達(dá)物位計(jì)發(fā)射和接收的是電磁波，相比超聲波液位計(jì)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(cè)量介質(zhì)接觸；高頻電磁波易于長(zhǎng)距離傳輸，可測(cè)量大量程；測(cè)量不受液面上部空間氣相條件變化的影響。雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射和接收高頻(GHz)電磁波，通過計(jì)算發(fā)射波和回波時(shí)間進(jìn)行液位測(cè)量，與超聲波液位計(jì)相比優(yōu)點(diǎn)突出：超聲波液位計(jì)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(huì)引起聲速的變化，如液體蒸發(fā)汽化會(huì)改變聲波的傳播速度，從而引起超聲波液位測(cè)量的誤差，電磁波可在氣體介質(zhì)中傳播，并且氣體的波動(dòng)變化不影響電磁波的傳播速度，故雷達(dá)液位計(jì)就有了更加廣泛的應(yīng)用空間。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)則彌補(bǔ)了雷達(dá)測(cè)量液位中的缺陷，雷達(dá)液位計(jì)+導(dǎo)波桿(纜)=導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)多了一個(gè)能定向集中傳輸電磁波的導(dǎo)波體，為信號(hào)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(hào)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(hào)衰減保持在最小程度，因而不能用于測(cè)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(cè)量，導(dǎo)波雷達(dá)為接觸式測(cè)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(zhǎng)的導(dǎo)波雷達(dá)纜繩安裝和維護(hù)相對(duì)困難。測(cè)量固體物料時(shí)，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(cè)量距離不會(huì)很長(zhǎng)。在一些特殊工況導(dǎo)波雷達(dá)有明顯優(yōu)勢(shì)，如罐內(nèi)有攪拌且介質(zhì)波動(dòng)大的工況，用底部固定的導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量要比變通雷達(dá)穩(wěn)定；還有小罐體內(nèi)的物位測(cè)量，由于安裝測(cè)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(shí)導(dǎo)波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)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(cè)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(shí)，信號(hào)太弱測(cè)量不穩(wěn)定，而導(dǎo)波雷達(dá)波是沿導(dǎo)波桿(纜)傳播信號(hào)的，因而相對(duì)穩(wěn)定；另外一般的導(dǎo)波雷達(dá)還有底部探測(cè)功能，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)可以根據(jù)底部回波信號(hào)修正測(cè)量結(jié)果，使信號(hào)更為穩(wěn)定準(zhǔn)確。

3 應(yīng)用實(shí)例

在導(dǎo)波雷達(dá)的應(yīng)用中，最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FieldCare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(jì)的工作狀況。

3.1 安裝

陜西延長(zhǎng)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(jì)后，一直存在液位波動(dòng)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(jì)導(dǎo)波桿(纜)末端有強(qiáng)烈的正向回波信號(hào)，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(jì)不能正常工作的原因。

圖1 改變安裝方式前的回波曲線

問題找到后，對(duì)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(hào)消失。對(duì)于底部異常正向回波，是因?yàn)閷?dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)末端與容器內(nèi)伴熱盤管相接觸，產(chǎn)生了信號(hào)接地，致使雷達(dá)波與容器存在信號(hào)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(jì)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。

圖2 改變安裝方式后的回波曲線

3.2 雜波干擾的處理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)接收到的信號(hào)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(hào)也會(huì)隨著液位的變化而變化，從而產(chǎn)生虛假液位，如圖3所示。

圖3 調(diào)整回波閾值前的回波曲線

這些干擾或雜波信號(hào)可以通過干擾波信號(hào)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(hào)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(hào)能夠被識(shí)別出來，如圖4所示。

圖4 調(diào)整回波閾值后的回波曲線

3.3 底部回波算法的原理與應(yīng)用

電磁波在穿越空氣和液體時(shí)，其傳播速度會(huì)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(zhǎng)度會(huì)比實(shí)際長(zhǎng)度要長(zhǎng)，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(hào)很微弱，物位L也可通過末端回波信號(hào)(EOP-signal)的計(jì)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：

EOP-shift/L=EOP-slope

(1)

其中末端回波斜率EOP-slope(EndofProbe-slop)是一個(gè)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(hào)和EOP-signal可以被檢測(cè)到，那么EOP-slope就可以不間斷地重復(fù)計(jì)算，當(dāng)回波消失時(shí)物位就可以通過式(1)計(jì)算得到。

圖5 末端回波信號(hào)計(jì)算原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)常被應(yīng)用于低介電常數(shù)場(chǎng)合(如液化氣)，低介電常數(shù)介質(zhì)產(chǎn)生的回波信號(hào)也比較弱，在存在雜波和干擾波的信號(hào)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(cè)量液位[7]有時(shí)就難以實(shí)現(xiàn)，通過改變回波閾值也起不到作用，此時(shí)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(jì)很難從回波中找到真實(shí)液位，液位曲線呈跳變狀態(tài)，測(cè)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(cè)量物位的方法，達(dá)到了高度的可靠性和安全性。

圖6 應(yīng)用底部回波算法的回波曲線

4 結(jié)束語

盡管導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)具有較強(qiáng)的信號(hào)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(hào)，但當(dāng)用于復(fù)雜安裝環(huán)境時(shí)(如設(shè)備內(nèi)存在構(gòu)件、泡沫和粉塵)，對(duì)其實(shí)際工作性能會(huì)有影響，因此在安裝時(shí)需特別注意。對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)波形識(shí)別算法的改進(jìn)和優(yōu)化，使得導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。

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