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        導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在不同氣相介質(zhì)的誤差分析

        2020-09-01 08:35:06顧春燕郭雅山王浩光
        儀器儀表用戶 2020年9期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)波液位計(jì)測(cè)量誤差

        顧春燕,郭雅山,王浩光,李 蘇

        (1.江蘇核電有限公司 儀控管理處,江蘇 連云港 222002;2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,濟(jì)南 250100)

        0 引言

        導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)作為一種新型的雷達(dá)式液位計(jì),采用等效采樣原理和時(shí)域反射原理[1],適用于低介電常數(shù)、高溫高壓、高輻照等復(fù)雜惡劣工況,在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

        但是在部分極端高溫高壓、高飽和蒸汽工況下,如鍋爐汽包和蒸汽分離器,隨著溫度和壓力的升高,液體和蒸汽的介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生較大變化。在300℃/10MPa 的環(huán)境下,水的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)由78.5 降低至18.0,蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)由1.0 升高至1.5。由于導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用時(shí)域反射原理,蒸汽介電常數(shù)的增大會(huì)減慢電磁波在導(dǎo)波桿上的傳播速度,如果不采取相關(guān)的補(bǔ)償措施,會(huì)導(dǎo)致較高的測(cè)量誤差。

        針對(duì)該工況下的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用,國(guó)外Emerson Rosemount 公司推出了設(shè)有“動(dòng)態(tài)蒸汽補(bǔ)償功能(DVC,Dynamic Vapor Compensation)”的5300 系列導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)[2],國(guó)外Endress+Hauser 公司推出了設(shè)有“氣相自動(dòng)補(bǔ)償功能(GPC,Gas Phase Compensation)”的Levelflex 系列導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)[3-4],但均未透露具體的蒸汽補(bǔ)償算法,且國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究較少。

        因此,本文建立了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量誤差與氣相介質(zhì)介電常數(shù)關(guān)系的函數(shù)模型。首先,分析了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因,繼而根據(jù)時(shí)域反射原理建立測(cè)量誤差與氣相介質(zhì)介電常數(shù)關(guān)系的函數(shù)模型,最后使用食用油代替介電常數(shù)發(fā)生變化的氣相介質(zhì)進(jìn)行仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

        1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理及特點(diǎn)

        1.1 時(shí)域反射原理

        時(shí)域反射原理是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量的核心原理。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的表頭部分會(huì)發(fā)射出周期性的電磁波脈沖,電磁波脈沖沿導(dǎo)波桿以光速進(jìn)行傳播。當(dāng)導(dǎo)波桿上存在阻抗不匹配點(diǎn)時(shí)(如液面處),則在該點(diǎn)處電磁波脈沖會(huì)產(chǎn)生反射回波,在液面處產(chǎn)生的反射回波沿導(dǎo)波桿進(jìn)行傳播,并被導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的表頭部分接收。由于電磁波脈沖的發(fā)射和接收時(shí)間與導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的表頭和液面的距離成正比,因而由電磁波脈沖的傳播時(shí)間,即可計(jì)算出被測(cè)液位高度。

        1.2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)

        由于導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用時(shí)域反射原理和等效時(shí)間采樣原理,且為接觸式測(cè)量?jī)x表,因而,與一般的液位計(jì)相比,導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)有其原理上的優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)如下:

        1)可靠性高。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用時(shí)域反射原理,其測(cè)量過(guò)程只與被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān),而與密度、壓力等無(wú)關(guān);電磁波在導(dǎo)波桿上進(jìn)行傳播,與天線式雷達(dá)液位計(jì)相比,電磁波信號(hào)在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的損耗較小,有質(zhì)量更好的回波信號(hào)。因此,高溫高壓、泡沫和粉塵等復(fù)雜工況對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)生的影響極小,提高了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的可靠性[5]。

        2)測(cè)量精度高。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用等效時(shí)間采樣原理,可以實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)在時(shí)間軸上的精確放大,測(cè)量誤差最小可以控制在±1mm,具有很高的測(cè)量精度。

        3)安裝和維護(hù)方便。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的表頭和導(dǎo)波桿部分為分體式設(shè)計(jì),在面對(duì)不同的測(cè)量工況時(shí),可以根據(jù)需要選擇導(dǎo)波桿的類型,如桿式、纜式和同軸式,并且可以通過(guò)電纜連接導(dǎo)波桿和表頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳測(cè)量,安裝方便;導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用兩線制回路供電,液位計(jì)表頭及導(dǎo)波桿無(wú)可動(dòng)部件,后期維護(hù)量較少。

        2 測(cè)量誤差分析

        2.1 測(cè)量誤差原因分析

        在極端高溫高壓、高飽和蒸汽工況下,蒸汽的密度和溫度會(huì)增大,導(dǎo)致蒸汽介質(zhì)的介電常數(shù)增大。根據(jù)時(shí)域反射原理,當(dāng)氣相介質(zhì)的介電常數(shù)增大時(shí),電磁波脈沖的傳播速度會(huì)相應(yīng)減慢,使得測(cè)得的電磁波脈沖傳播時(shí)間增大,導(dǎo)致測(cè)得液位位置低于實(shí)際液位位置。

        2.2 測(cè)量誤差與氣相介質(zhì)介電常數(shù)關(guān)系模型的建立

        由時(shí)域反射原理可知:在理想的測(cè)量工況下,電磁波脈沖的傳播時(shí)間t 與液位計(jì)表頭和至液面的距離L 有以下關(guān)系式近似成立:

        公式(1)中:ε 為氣相介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);c 為電磁波在真空中傳播速度。

        則根據(jù)公式(1),導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)根據(jù)測(cè)得的傳播時(shí)間t,計(jì)算得到的測(cè)得液位距離l 和實(shí)際液位距離L 有以下關(guān)系式近似成立:

        因此,可以得出測(cè)量誤差與氣相介質(zhì)的介電常數(shù)的關(guān)系模型為:

        則根據(jù)公式(3),在正常測(cè)量工況下,空氣的相對(duì)介電常數(shù)可以視為1.0,因此可以忽略空氣對(duì)于測(cè)量的影響。但是,當(dāng)氣相介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生較大變化時(shí),如在高溫高壓、高飽和蒸汽工況下,氣相介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可以升高至1.5,則根據(jù)公式(3)可以計(jì)算,在該工況下進(jìn)行測(cè)量會(huì)產(chǎn)生22.5%的測(cè)量誤差。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        考慮到高溫高壓、高飽和蒸汽工況下氣相介質(zhì)的介電常數(shù)較為不穩(wěn)定,且該工況的調(diào)控較為困難,具有較高的危險(xiǎn)性,本文采用食用油(相對(duì)介電常數(shù)大于空氣)填充容器內(nèi)液面上方的空間,模擬介電常數(shù)發(fā)生變化的氣相介質(zhì),對(duì)測(cè)量誤差與氣相介質(zhì)介電常數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行驗(yàn)證。

        在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為方便距離的計(jì)算,以導(dǎo)波桿上的法蘭盤為零坐標(biāo)基準(zhǔn),坐標(biāo)軸方向從法蘭盤至導(dǎo)波桿末端。依次采集液位位置L 為550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm 時(shí)的回波信號(hào),每個(gè)液位位置下采集20 組回波信號(hào)。在液面上方添加食用油,重復(fù)在每個(gè)液位下采集20 組回波信號(hào)。在MATLAB 中對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理,包括以下5 個(gè)步驟:

        1) 回波信號(hào)的預(yù)處理。使用巴特沃斯濾波器,濾除回波信號(hào)中的高頻噪聲。

        2) 回波信號(hào)的識(shí)別。根據(jù)回波信號(hào)的特點(diǎn),在一定橫坐標(biāo)范圍內(nèi),查找幅值最大點(diǎn)所在的位置作為回波信號(hào)的位置。

        3) 回波信號(hào)的定位點(diǎn)的選擇[6]。在回波信號(hào)的峰值點(diǎn)處使用二階拉格朗日插值,將插值后的橫坐標(biāo)作為回波信號(hào)的定位點(diǎn),以獲取更高的測(cè)量精度。

        4) 液位-傳播時(shí)間關(guān)系的確定。根據(jù)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的等效時(shí)間采樣原理,確定在正常工況下測(cè)得的傳播時(shí)間與對(duì)應(yīng)液位的關(guān)系。

        5) 液位值的標(biāo)定。對(duì)根據(jù)測(cè)量時(shí)間計(jì)算得到的液位進(jìn)行標(biāo)定處理。

        對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理后,測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

        從表1 可以看出,當(dāng)液面上的介質(zhì)由空氣變化為食用油時(shí),液位測(cè)量誤差很大,且測(cè)量相對(duì)誤差較為穩(wěn)定,與液位實(shí)際距離無(wú)關(guān)。

        考慮到所使用的食用油(玉米油)在常溫常壓下相對(duì)介電常數(shù)約為2.8 ~3.4,故根據(jù)公式(3),可以計(jì)算出測(cè)量誤差約為67.3%~84.4%,與表1 中測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        為了研究導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在氣相介質(zhì)介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差,按照導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用的時(shí)域反射原理出發(fā),分析了在氣相介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因,并建立了測(cè)量誤差與氣相介質(zhì)介電常數(shù)關(guān)系的函數(shù)模型。

        通過(guò)在液面上添加食用油,模擬介電常數(shù)發(fā)生變化的氣相介質(zhì),對(duì)該函數(shù)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與函數(shù)模型較為符合。

        表1 液位計(jì)測(cè)得距離Table 1 Distance measured by GWR

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