王 斌, 衣 靜

(山東濱化集團(tuán)東瑞化工有限責(zé)任公司，山東 濱州 256619)

雷達(dá)物位計在粒堿料位測量中的應(yīng)用

王 斌, 衣 靜

(山東濱化集團(tuán)東瑞化工有限責(zé)任公司，山東 濱州 256619)

主要介紹了雷達(dá)物位計的測量原理及空譜測量技術(shù)，列舉雷達(dá)物位計在粒堿料位測量的現(xiàn)場實際應(yīng)用，了解其主要特點，并總結(jié)了雷達(dá)物位計在設(shè)計安裝中的注意事項以及常見的故障處理方法。

雷達(dá)物位計；空譜測量技術(shù)；二線制通訊；介電常數(shù)

隨著化工生產(chǎn)的自動化程度的提高,控制系統(tǒng)現(xiàn)場儀表的應(yīng)用越來越廣泛。儀表進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期,新型儀表不斷出現(xiàn)。雷達(dá)液位計就是近幾年開始應(yīng)用的新型測量儀表，在石油、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,尤其適用于各種高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的惡劣環(huán)境。

山東濱化集團(tuán)東瑞化工有限責(zé)任公司的10萬噸年粒堿系統(tǒng)裝置擁有兩套成品粒堿料倉。粒堿即粒狀燒堿，是固體燒堿(氫氧化鈉)產(chǎn)品的一種，放置在空氣中會吸收空氣中的水分發(fā)生潮解，與二氧化碳反應(yīng)發(fā)生變質(zhì)，并且在堆積的過程中會產(chǎn)生大量的堿塵，另外粒堿具有較強(qiáng)的腐蝕性。根據(jù)粒堿的以上物理特性，經(jīng)過多方考證和咨詢，我公司決定使用由德國思科公司推出的德爾塔雷達(dá)物位計來對粒堿料倉的料位進(jìn)行實時監(jiān)控。德爾塔雷達(dá)(DeltaRadar)物位計大量增加了智能化設(shè)計，與市場中的大多數(shù)產(chǎn)品相比，具有許多突出的他點，例如：全范圍的智能化處理、更強(qiáng)的信號與干擾信號辨別能力、小信號自動增益的處理能力；通過雙端口技術(shù)、先進(jìn)的表面跟蹤能力以及抗冷凝和防塵天線，提供最佳性能和正常運(yùn)行時間；具備多種過程連接件、材質(zhì)、天線和高低頻率型號，在應(yīng)用方面提供高靈活性；可以用于容器中有各種干擾物體，介質(zhì)中有泡沫、有粉塵、液面有明顯的顫抖；其測量原理和精度不受介質(zhì)密度、溫度、壓力及其介質(zhì)腐蝕性等工藝條件的影響，從而該產(chǎn)品有廣泛的適應(yīng)性和高穩(wěn)定性。

1 雷達(dá)物位計的測量原理

圖1 測量原理

德爾塔雷達(dá)工作頻段為24G-26GHz(K段)，是一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)原理的非接觸式雷達(dá)，F(xiàn)MCW雷達(dá)采用了高頻電磁波信號(24G-26GHz)進(jìn)行測量，內(nèi)部電路在2GHz(24G-26GHz)范圍進(jìn)行掃頻(線性遞增)，生成頻率與距離的關(guān)系，在距離為1米時，頻率差有300Hz左右，1毫米時有0.3Hz；如果以時間為基準(zhǔn)，1米距離的時間差只有3.3納秒，1毫米時為3.3皮秒，所以無法以時間為基準(zhǔn)，但通過對頻率差的處理(傅里葉變換)，可以得到不同發(fā)射物質(zhì)(距離)的頻譜，由罐高減去此距離就可以得到液位和相關(guān)的參數(shù)。問題是雷達(dá)的發(fā)射能量有限(環(huán)境污染)和在介質(zhì)空間中很容易被吸收，同時在發(fā)射路徑中遇到任何物質(zhì)都會有不同的反射，所以在信噪處理、反射角度控制、安裝位置選擇都需要考慮。在經(jīng)過相當(dāng)時間摸索和運(yùn)用案例總結(jié)后，德爾塔雷達(dá)(DeltaRadar)積累了許多經(jīng)驗和教訓(xùn)，在軟件和硬件做了許多調(diào)整和修改后，在抗干擾等方面，具備了很好的技術(shù)和先進(jìn)特點。測量原理見圖1。

2 空譜測量技術(shù)

24GHz頻率調(diào)制連續(xù)波是以2GHz頻率為單位的連續(xù)掃頻，通過不同規(guī)格的天線向外發(fā)射，由于頻率的提高，帶寬加大，使得同等發(fā)射角度下，天線的尺寸可大大減小，所需要的功耗也大大降低，可以保證更大的傳播距離，更高的精度；大家知道，由于頻率的提高，同時會帶來更多的反射(周圍的所有物品都會引起反射)，在大量的干擾中無法確認(rèn)有效的信號。德爾塔雷達(dá)中使用了空頻譜分析技術(shù)，在初始設(shè)置時，可以對空罐(或者部分空罐時)進(jìn)行頻譜分析，將各種干擾源或固定不移動(變化)的物體進(jìn)行頻譜記錄，相當(dāng)于先記錄各種干擾源的頻譜；在進(jìn)行正常測量時，將包括各種干擾源和被測物位的頻譜全部檢測出來(功率譜)，然后結(jié)合空頻譜進(jìn)行相關(guān)分析，生成相關(guān)譜，將各種固定干擾從測量信號中刪除，只剩下所需要物位的譜。此方法大大提高了抗干擾能力和對現(xiàn)場各種工況的適應(yīng)能力。可以應(yīng)用于有攪拌、晃動或罐內(nèi)有各種管道等障礙物的情況，是許多同類產(chǎn)品所不具備的。

3 雷達(dá)物位計在粒堿料位測量中的實際應(yīng)用

經(jīng)過4年多的使用，我公司粒堿料倉使用的德爾塔雷達(dá)料位計運(yùn)行情況相當(dāng)穩(wěn)定，且指示準(zhǔn)確，既節(jié)省了儀表維護(hù)費(fèi)用，又有效保障了設(shè)備和人生安全，提高了物位指示的準(zhǔn)確性，保障了工藝正常生產(chǎn)。粒堿料倉上半部分位移圓柱體，而下半部分是一錐體的形狀(如料倉結(jié)構(gòu)示意圖見圖2)。

圖2 料倉結(jié)構(gòu)示意圖

下料口位于設(shè)備的一側(cè)，將雷達(dá)液位計安裝在料倉錐形體正上方，將錐形體底部向上的一段距離設(shè)置為測量死區(qū)，將其不作為料位的測量數(shù)值，這樣固體堿在料倉的一側(cè)會不斷堆積，當(dāng)料堆積到一定程度時，就會大量的向另一側(cè)塌方，料位也會突然地大幅度變化。由于德爾塔雷達(dá)物位計是工作頻段為24G-26GHz的一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)原理的非接觸式雷達(dá)，它以2GHz頻率為單位的連續(xù)掃描，通過天線向外發(fā)射，由于頻率的提高，帶寬加大，使得同等發(fā)射角度下，天線的尺寸可大大減小，所需要的功耗大大降低可以保證更大的傳輸距離，更高的精度。由于頻率的提高，同時會帶來更多的反射，以上粒堿料倉中料位的不規(guī)則變化性都會引起反射，德爾塔雷達(dá)物位計使用了空頻譜分析技術(shù)，在初始設(shè)置時對料倉進(jìn)行頻譜分析，將各種干擾源或變化的物體進(jìn)行頻譜記錄，相當(dāng)于先記錄各種干擾源的頻譜，在進(jìn)行正常測量時，將包括各種干擾源和被測物位的頻譜全部檢測出來，然后結(jié)合空頻譜進(jìn)行相關(guān)分析，生成相關(guān)譜，將各種固定干擾從測量信號中刪除，只剩下所需要物位的譜，此方法大大提高了抗干擾能力和對現(xiàn)場各種工況的適應(yīng)能力，可以應(yīng)用于以上料位不規(guī)則變化的工況，這是許多同類產(chǎn)品所不具備的。

4 雷達(dá)物位計儀表特點

4.1 全中文顯示界面

a.中文觸摸屏人機(jī)界面，160x160點陣，9行字符，8層灰度，方便現(xiàn)場調(diào)試安裝；

b.表頭現(xiàn)場顯示有多種內(nèi)容(液位、距離、體積、百分比等)可供選擇；同時有多種方式(罐體圖、棒狀圖、波形圖等)直觀顯示；

c.全中文顯示，包括正常運(yùn)行參數(shù)、各層的組態(tài)的參數(shù)、在線幫助和故障出錯提示，全部為中文界面。

d.故障/測量錯誤中文列表：如遇到測量出錯或者參數(shù)設(shè)置錯誤，在屏幕上將會出現(xiàn)中文的在線錯誤提示，會顯示出錯原因和時間，對于現(xiàn)場故障檢測和排除非常有幫助；

4.2 二線制通訊儀表

a.二線制現(xiàn)場儀表(4～20Ma+HART，14～30VDC供電)：盡管有大屏幕的耗能，還支持足夠的功率來保證40米長的測量范圍；

b.雙輸出：在液位、距離、體積、質(zhì)量、界面等中，可以任意選擇其中2項同時輸出，不需要通過信號分配器；

c.電源中加有特別的濾波處理，可以消除來自各種電源網(wǎng)的噪音和干擾；

4.3 外殼

a.外部結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)，按照隔爆要求設(shè)計，無需特別要求；

b.擁有電源部分和電子模塊部分相互獨立的雙腔式結(jié)構(gòu)，接線安全和容易；可以滿足本安和防爆等特殊場合的要求；

4.4 天線

a.多種天線規(guī)格，DN40，DN50、DN80和更大(DN100，……)；

b.天線加長型，最長可以加長到1米，以滿足不同罐體安裝、不同測量范圍和不同介質(zhì)的需要；

c.發(fā)射角度比一般產(chǎn)品要?。?2.5°(DN100,單邊),5°(DN80)，10°(DN50)和15°(DN40),1米時的反射半徑只有130毫米(DN80)

d.天線的材料可以是316L(標(biāo)準(zhǔn))或者哈氏合金(可選)

4.5 超低介電常數(shù)的測量

a.由于雷達(dá)的反射率沒有導(dǎo)波雷達(dá)強(qiáng)，通常產(chǎn)品不能測量介電常數(shù)比較小(<=1.5)的介質(zhì)，對于這類產(chǎn)品，往往干擾信號回波的幅值要比物位的回波幅值要大，所以罐底跟蹤技術(shù)就尤為重要。

b.直接測量可以達(dá)到1.5(介電常數(shù))，罐底跟蹤模式可測量到1.1介質(zhì)，幾乎大多數(shù)介質(zhì)物位都可以測量(總體講，比導(dǎo)波雷達(dá)效果要差)；

c.被測量介質(zhì)的溫度、壓力、密度、粘度等對測量沒有影響，只與介電常數(shù)相對值有關(guān)；

4.6 獨特的空頻譜設(shè)置

功率譜、空頻譜、相關(guān)功率譜見圖3。

圖3 功率譜、空頻譜、相關(guān)功率譜

功率譜：雷達(dá)接收到的所有回波的頻譜；空頻譜：對罐內(nèi)不變化(移動)的固定的干擾信號進(jìn)行的頻譜分析；相關(guān)譜：經(jīng)過二個譜互相關(guān)計算后，去除各種已經(jīng)紀(jì)錄的干擾信號，進(jìn)而得到真實的液/物位 ；

使用該技術(shù)后，對于容器中有各種干擾物體，有泡沫，有蒸汽介于產(chǎn)品中間，有顫抖的表明，都可以進(jìn)行有效工作；使得更加可靠和廣泛的適應(yīng)性。

5 雷達(dá)物位計的安裝注意事項

(1)安裝雷達(dá)物位計時，應(yīng)避開進(jìn)料口，進(jìn)料簾和漩渦，因為液體在注入時會產(chǎn)生幅值比被測液位反射的有效回波大得多的虛假回波。同時，漩渦引起的不規(guī)則液位會對微波信號產(chǎn)生散射，從而引起有效信號的衰減，所以應(yīng)避開他們。

(2)測量物位的場合，宜垂直向下安裝。雷達(dá)的波束中心距容器壁的距離應(yīng)大于由束射角、測量范圍計算出來的最低料位處的波束半徑。

(3)對于有攪拌器的容器，雷達(dá)液位計的安裝位置不要在攪拌器附近，因為攪拌時會產(chǎn)生不規(guī)則的漩渦，它會造成雷達(dá)信號的衰減。同時，攪拌器的葉片也會對微波信號造成虛假的回波，特別是被測物體的相對介電常數(shù)較小和低液位時，攪拌器所造成的影響更為嚴(yán)重。

(4)當(dāng)雷達(dá)液位計用于測量腐蝕性和易結(jié)晶的物體液位時，為了防止介質(zhì)對傳感器的影響，制造廠一般都采用帶有聚四氟乙烯測量窗的分離法蘭式結(jié)構(gòu)。應(yīng)用這些部件的環(huán)境溫度不能太高，聚四氟乙烯的最高溫度為200攝氏度。為了避免高溫對雷達(dá)天線的影響，也為了防止膜片上存在的結(jié)晶物影響儀表正常工作，要求法蘭端面和最高液位之間至少有100-800mm的安全距離。

6 常見故障及處理方法

儀表提供二類故障：出錯(F，測量值不對)和警告(W)；

各有三種狀態(tài)：測量狀態(tài)、信號狀態(tài)和操作狀態(tài)；

測量狀態(tài)：主要是液位信號丟失；液位高/低；

信號狀態(tài)：這樣是參考脈沖設(shè)置問題，液位脈沖增益不對，門 檻設(shè)置不合適；

操作狀態(tài)：參數(shù)設(shè)置超出給定的范圍。

常見故障及處理方法見表2。

表2 常見故障及處理方法

[1] 寶 祥，王桂云，施引萱.儀表維修工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 政 學(xué).化工測量及儀表[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992.

[3] 嘉 謙.儀表工手冊[M].2版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4] 蘊(yùn) 端.化工自動化及儀表[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

(本文文獻(xiàn)格式：王 斌, 衣 靜.雷達(dá)物位計在粒堿料位測量中的應(yīng)用[J].山東化工，2016，45(14)：74-76.)

Radar Level Meter Application of Material Level Measurement in Grain Base

WangBin，YiJing

(Shandong Befar Group Dawnrays Chemical Co., Ltd., Binzhou 256619,China)

Mainly introduces the radar level meter measurement principle and space spectrum measurement technology, enumerates the radar level meter material level measurement in practical application scene of grain alkali, understand its main characteristics, and summarizes the radar level gauge in the matters needing attention in design and common fault handling method.

radar material level meter; space spectrum measurement technology; two-wire communication; dielectric constant

2016-05-09

王 斌(1981—)，本科學(xué)歷，助理工程師，2005年畢業(yè)于青島科技大學(xué)自動化專業(yè)，現(xiàn)任濱化集團(tuán)東瑞公司電儀車間技術(shù)員。

TQ056.1

A

1008-021X(2016)14-0074-03