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        雷達(dá)和超聲波物位計選型對比分析

        2016-12-31 00:00:00馬海珊程江華
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年19期

        摘 要:簡述雷達(dá)、超聲波兩種物位計的原理及基本特性,通過分析各種因素對物位計測量產(chǎn)生的影響,結(jié)合熱電廠中各物料的自身特性,確定更為合理的物位計選型。

        關(guān)鍵詞:雷達(dá);超聲波;物位檢測

        1 概述

        物位是工業(yè)過程監(jiān)控的重要目標(biāo)參數(shù),在熱電廠內(nèi)各種罐體、料倉、水池的連續(xù)物位測量中,雷達(dá)和超聲波兩種原理的物位計應(yīng)用廣泛。在工程項目設(shè)計階段,設(shè)計師們對雷達(dá)和超聲波物位計的選型依據(jù)業(yè)主的要求以及自身的經(jīng)驗,故兩者在應(yīng)用場合沒有較明確的界限劃分。針對這兩種物位計的選擇應(yīng)用,作者談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

        2 原理簡述

        2.1 雷達(dá)物位計

        雷達(dá)物位計按其工作方式,主要分為脈沖式和連續(xù)調(diào)頻式。

        脈沖式雷達(dá)物位計,采用微波“發(fā)射→反射→接收”的原理:從天線發(fā)射出的電磁波信號,在被測物料表面產(chǎn)生反射,反射的回波信號被雷達(dá)系統(tǒng)接收,通過電子單元計算出發(fā)射至接收的行程時間(t)。因電磁波的物理特性與可見光相似,取光速(c)作為傳播速度,進(jìn)而可換算得出物位值(如圖1所示):L=E-D=E-c.t/2。

        連續(xù)調(diào)頻式(FMCW)雷達(dá)物位計的測量原理有別于脈沖式,電磁波信號被液面反射后,回波被天線接收,接收到的回波頻率與此時發(fā)射信號波的頻率相比,兩者存在差異,此頻率差的大小與到液面的距離成正比。如圖2所示:

        2.2 超聲波物位計

        與脈沖式雷達(dá)物位計相似,超聲波物位計也是利用波的反射原理,通過時差法進(jìn)行物位測量。兩者之間的差別僅為雷達(dá)采用的為電磁波,其傳播無需介質(zhì),而超聲波物位計采用的為機(jī)械波。由于機(jī)械波的物理特性決定其傳播必須借助一定介質(zhì),所以當(dāng)介質(zhì)的壓力、溫度、密度、濕度等條件恒定時,超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度是一個常數(shù)。因此,當(dāng)超聲波發(fā)射遇到物面后,傳播路徑上的介質(zhì)密度發(fā)生變化,超聲波被反射,測量超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間,即可換算出超聲波通過的路程,從而得到了物位的數(shù)據(jù)。

        3 特性及選型注意事項

        3.1 雷達(dá)物位計

        雷達(dá)物位計選型,需綜合考慮介質(zhì)的介電常數(shù)、料倉高度、物料形態(tài)及穩(wěn)定性等方面的因素,從而選擇確定物位計工作方式、微波頻率、波束角以及天線型式。

        3.1.1 介電常數(shù)

        由于電磁波的衰減系數(shù)與介質(zhì)的介電常數(shù)的平方根成反比,因此,被測介質(zhì)的介電常數(shù)越大,電磁波的衰減越少,物位計接受到的反射信號也就越強(qiáng),即測量可以得到更好的保證。以E+H MicropilotM FMR50系列雷達(dá)物位計為例,表1和圖3顯示,同型號雷達(dá),對于低介電常數(shù)介質(zhì),其測量的量程范圍明顯縮小。特別針對A類介質(zhì),普通的安裝方式甚至不能滿足測量要求。

        3.1.2 物料形態(tài)及穩(wěn)定性

        當(dāng)物料為固體或粉末狀態(tài)時,由于折射、漫散射等影響,使有效的回波減少,雜波增加。同樣,當(dāng)測量波動表面時,也存在有效回波檢測困難的情況。

        3.1.3 措施

        不論是介電常數(shù)還是物料形態(tài)穩(wěn)定性的問題,通過雷達(dá)的檢測原理即可確定,要保證測量的可靠性,必需減少信號衰減,增加有效回波數(shù)量。

        根據(jù)電磁波的特性,當(dāng)波束角確定時,電磁波的頻率越高,在單位面積上積聚的能量越大,電磁波的衰減越小,從而雷達(dá)物位計的測量精度也就越高。在實際運用中,脈沖式雷達(dá)物位計采用的電磁波段主要為C段(低頻)和K段(高頻)兩種,兩者主要性能對比如表2。

        通常,波束角的大小與天線的尺寸成反比,天線越大,波束角越小,相同頻率的波在單位面積上聚集的能量也就越大。針對固體、粉末類介質(zhì),且儲罐條件比較復(fù)雜的場合,在選擇高頻雷達(dá)的同時,應(yīng)采用大尺寸天線(例如拋物面天線)以提高測量精度。

        由于外界雜波的干擾對普通非接觸式雷達(dá)的信號判斷及處理能力提出很高的要求,采用導(dǎo)波雷達(dá)或者增加導(dǎo)波管(液體測量)的方式較好地解決了微波傳輸穩(wěn)定性的問題。除此之外,因電磁波的回波時間不因介電常數(shù)的變化而變化,僅為信號強(qiáng)度有差,所以導(dǎo)波式測量是低介電常數(shù)介質(zhì)物位測量的優(yōu)選方式。

        連續(xù)調(diào)頻式雷達(dá)物位計,因其獨特的信號分析處理技術(shù),具有高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和信號自動校準(zhǔn)等優(yōu)點,被視為是復(fù)雜條件物位測量的優(yōu)選方案,特別適用于極度粉塵并伴有高溫場合以及超低介電常數(shù)介質(zhì)的物位測量。精度可達(dá)±0.5mm,測量范圍可達(dá)100m。由于采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù),物位計功耗較大(5~10W),為常規(guī)脈沖式雷達(dá)物位計的10倍左右,常規(guī)采用220VAC四線制接線方式。但隨著技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)已有應(yīng)用良好的24VDC兩線制產(chǎn)品,例如西門子SITRANS LR560等。

        3.2 超聲波物位計

        超聲波液位計,因聲波的傳播速度與傳播介質(zhì)的溫度、壓力以及被測介質(zhì)的特性等均有關(guān)系,受外界因素的制約較大,常被用于簡單工況穩(wěn)定物位的測量。

        3.2.1 常見影響因素

        所有外界因素,對超聲波信號而言,其最終的體現(xiàn)均為信號的衰減。常見的影響因素及其程度如表3。

        3.2.2 測量范圍計算

        超聲波物位計,與雷達(dá)物位計相比,因其聲波自身的物理特性決定,其測量范圍(一般不超15m)要小于雷達(dá)。在工程實際應(yīng)用中,通過分析外界因素對信號的衰減影響,比較物位計理論測量值,得出可實際應(yīng)用的測量范圍。以E+H Prosonic M FMU4x系列為例:

        測量熱電廠渣倉料位,固體物料表面因素衰減約40dB,粉塵影響約10dB,假設(shè)無其余因素影響,查圖4,F(xiàn)MU43的可用測量約4.8m。若此量程能滿足工藝檢測要求,則可采用超聲波,否則需另選物位計。

        3.3 特性比較

        超聲波測量鑒于被測介質(zhì)的密度,其受溫度和壓力的影響較大,不同密度下超聲波傳播速度不同,信號修正困難。另外,超聲波的發(fā)生是通過壓電晶體的機(jī)械振動,當(dāng)外界壓力太大時會影響超聲波的產(chǎn)生,所以不可用于壓力較高或負(fù)壓的場合,通常只用在常壓容器。一般情況下,超聲波液位計使用溫度不可超過80℃,壓力需在0.3MPa以內(nèi)。而雷達(dá)受此影響不大,可以用在高溫、高壓工況下。

        由于機(jī)械波易受傳播介質(zhì)的影響,能量衰減也相對較大,在氣態(tài)或者不均勻介質(zhì)中表現(xiàn)更明顯。在相同能量下,電磁波的傳播性比超聲波要好很多,因此雷達(dá)物位計的可使用量程范圍也比超聲波要大,特別現(xiàn)在采用高頻和連續(xù)調(diào)頻技術(shù),使得其量程范圍進(jìn)一步增大。

        因雷達(dá)物位計對環(huán)境和介質(zhì)本身產(chǎn)生的擾動分辨能力更強(qiáng),也就可以更好地消除干擾,使得其能更好地保證測量精度。相比而言,超聲波物位計因易受外界干擾影響,實際的測量精度較差。

        3.4 選型應(yīng)用

        在熱電廠中,物位的測量主要為煤、石灰石、渣、灰等固體或粉末類介質(zhì),以及部分水、油、酸堿液態(tài)介質(zhì),對于上述介質(zhì)的物位測量,分析雷達(dá)和超聲波物位計的原理和特點,選型如下:

        (1)因雷達(dá)采用電磁波,不需要傳播媒介,可以應(yīng)用于真空工況。例如導(dǎo)波雷達(dá),現(xiàn)被用于凝汽器熱井水位的測量,而超聲波則不適用。

        (2)煤粉倉、灰渣庫等低介電常數(shù)并伴有粉塵的固態(tài)或粉末狀態(tài)物料,因聲波會有很大的衰減,所以一般不應(yīng)選用超聲波物位計。選用雷達(dá)時,應(yīng)選擇高頻雷達(dá),并選用例如拋物面天線等此類的大尺寸小波束角天線。當(dāng)安裝條件允許時,也可采用纜式(小量程采用桿式)天線來降低介質(zhì)特性本身以及外界干擾對測量帶來的影響,但應(yīng)做好天線端部固定工作。

        (3)對于液氨、濃鹽酸等易揮發(fā)或擴(kuò)散形成霧氣的儲罐液位測量,或者是液面可能產(chǎn)生泡沫(例如循環(huán)水池)時,導(dǎo)波雷達(dá)將是很好的選擇,但需要注意儲罐的尺寸,若為小型儲罐,則建議采用高頻非接觸雷達(dá)+導(dǎo)波管的測量型式。

        (4)針對高壓加熱器水位、汽包水位等高溫高壓且存在汽水共騰工況的液位測量,可選用高溫高壓型同軸導(dǎo)波雷達(dá)。同軸探頭,加上氣相補償、等時采樣等技術(shù)的應(yīng)用,使得在沸騰的腔體內(nèi),雷達(dá)也能有穩(wěn)定可靠的讀數(shù)。西門子LG200、E+H FMP54等產(chǎn)品均已在電廠此類場合的液位測量中得到很好的應(yīng)用。

        (5)由于雷達(dá)物位計產(chǎn)生高頻電磁波的電子電路相對復(fù)雜,使得產(chǎn)品價格較高。因此,在精度要求不是特別高或測量理想液面(例如平靜光滑的脫鹽水儲罐、點火油罐等液位)時,超聲波物位計就體現(xiàn)了很好的性價比。另外,若為統(tǒng)一選型,減少物位計的種類考慮,經(jīng)濟(jì)型低頻雷達(dá)也是較好的選擇方案。

        4 結(jié)束語

        雷達(dá)和超聲波兩種類型的物位計均是工業(yè)物位測量的良好解決方案,其選型應(yīng)用需根據(jù)過程工況、介質(zhì)特性決定,并結(jié)合安裝條件、使用環(huán)境等外界因素。經(jīng)濟(jì)適用、更好的性價比是設(shè)計人員選型的重要依據(jù),也是現(xiàn)代工廠精細(xì)化管理追求良好效益的基礎(chǔ)條件。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]Endress+Hauser.TI軟件中文版[Z].2015.

        [4]西門子(中國)有限公司過程工業(yè)與驅(qū)動集團(tuán).過程儀表、過程分析、稱重技術(shù)[Z].2015.

        作者簡介:馬海珊(1985-),女,工程師,現(xiàn)就職于中國聯(lián)合工程公司,從事熱電廠儀控設(shè)計工作。

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