摘要： 雷達(dá)液位計(jì)在測量液位過程中有著眾多優(yōu)點(diǎn), 但對(duì)于易揮發(fā)結(jié)晶介質(zhì)的液位測量卻存在不同程度的局限性。為增強(qiáng)雷達(dá)液位計(jì)的使用性能, 通過對(duì)生產(chǎn)過程中使用的雷達(dá)液位計(jì)在對(duì)槽體液位測量中出現(xiàn)的一系列問題進(jìn)行深入分析, 并結(jié)合雷達(dá)液位計(jì)的測量原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 提出了一種利用雷達(dá)液位計(jì)與導(dǎo)波管相結(jié)合的測量方法, 為化工企業(yè)生產(chǎn)中雷達(dá)液位計(jì)的使用提供了參考。該改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單, 易于安裝與維護(hù), 有效避免了槽體液位測量中液位波動(dòng)、測量介質(zhì)等因素的影響, 使測量精度提高了10倍以上, 抗干擾能力大大增強(qiáng), 確保了測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。該改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)的創(chuàng)新性在于結(jié)合了導(dǎo)波管與雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn), 成功解決了雷達(dá)液位計(jì)在液位測量過程中的局限性。該研究成果解決了槽體液位測量過程中常見的問題, 同時(shí)為石化、焦化、化工等行業(yè)生產(chǎn)過程中雷達(dá)液位計(jì)的使用方法提供了一些啟示。

 

　　0 引言

 

　　在工業(yè)生產(chǎn)中, 地下槽體通常被用于工業(yè)循環(huán)液的存儲(chǔ), 是整個(gè)生產(chǎn)過程中的重要輔助裝置。其內(nèi)部介質(zhì)的液面高度是整個(gè)工藝控制過程中一個(gè)重要工藝參數(shù), 所以實(shí)現(xiàn)地下槽體的液位測量對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。但因?yàn)榈叵虏垠w內(nèi)部介質(zhì)會(huì)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測量造成不同程度的影響, 且一些液位測量結(jié)果與工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全儀表系統(tǒng)存在聯(lián)鎖關(guān)系[1], 所以如何排除各種影響液位測量的因素就成為了一項(xiàng)十分重要的研究課題。

 

　　1 背景介紹

 

　　工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)容器內(nèi)液體的物位測量的情況, 人們運(yùn)用多種方法來進(jìn)行液位的測量, 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和普通雷達(dá)液位計(jì)就是兩種常用的液位測量儀表。但由于環(huán)境和工況等因素的影響, 導(dǎo)致兩者在液位測量過程中均存在很大的局限性。特別是在焦化行業(yè)中槽體等雜質(zhì)較多的環(huán)境, 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)為接觸式測量, 其導(dǎo)波桿會(huì)被粘上焦油等雜質(zhì), 從而影響液位計(jì)的正常測量。與之相比, 可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量的雷達(dá)液位計(jì)更顯優(yōu)勢, 其不接觸被測量介質(zhì), 從而避免了上述情況的出現(xiàn), 但液面波動(dòng)也會(huì)影響普通雷達(dá)液位計(jì)的測量精度。采用非接觸式液位測量的方式還有超聲波液位計(jì), 但其信號(hào)的“拖尾”現(xiàn)象影響了時(shí)間準(zhǔn)確性, 進(jìn)而影響液位測量的精度[2]。

 

　　雷達(dá)液位計(jì)是一種采用微波測量技術(shù)的非接觸式液位測量儀表[3], 目前較為廣泛地應(yīng)用于地下槽體的液位測量。當(dāng)被測量液面平靜時(shí), 雷達(dá)波反射較好、測量精度高[4]。但實(shí)際應(yīng)用中, 由于槽體內(nèi)液位環(huán)境較為復(fù)雜, 設(shè)備受到漂浮物、結(jié)冰、液體流入和泵出時(shí)造成的液面波動(dòng)、雷達(dá)天線表面結(jié)晶等因素干擾, 會(huì)出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)波動(dòng), 這將直接導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映液位信息。

 

　　針對(duì)以上影響槽體液位測量的因素, 對(duì)雷達(dá)液位計(jì)及其附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)和測量方法進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn), 可有效避免以上干擾因素對(duì)液位測量結(jié)果的影響, 保證雷達(dá)液位計(jì)的可靠運(yùn)行。多次試驗(yàn)表明, 該方法穩(wěn)定、可靠, 改進(jìn)后的測量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的使用效果。

 

　　2 雷達(dá)液位計(jì)的組成及工作原理

 

　　2.1 組成概述

 

　　雷達(dá)液位計(jì)由天線系統(tǒng)、電子部件、微處理器組成。天線系統(tǒng)的作用是為了發(fā)射微波脈沖和接收反射回波, 電子部件將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換成物位信號(hào), 微處理器可以準(zhǔn)確分辨出物位回波去除虛假回波。普通雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

　　圖1 普通雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the normal radar level gauge 

 

　　2.2 工作原理

 

　　雷達(dá)液位計(jì)的工作原理是通過天線向被測介質(zhì)物位發(fā)射電磁波, 測出電磁波發(fā)射和反射回來的時(shí)間, 從而計(jì)算出容器內(nèi)液位。雷達(dá)液位計(jì)的天線系統(tǒng)發(fā)射極窄的電磁波脈沖。這個(gè)脈沖以光速在空間內(nèi)傳播, 遇到被測介質(zhì)表面, 其部分能量被反射回來, 被同一個(gè)天線系統(tǒng)接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔與天線系統(tǒng)到被測介質(zhì)表面的距離成正比。通過分析天線發(fā)射波與介質(zhì)液位反射波之間的時(shí)間差與微波波速之間的關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)容器介質(zhì)液位的測量。由于電磁波的傳播速度極高, 發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔很小 (ns量級(jí)) , 因此很難確認(rèn)時(shí)間間隔大小[6]。目前, 市場主流雷達(dá)液位計(jì)有兩類, 一類是發(fā)射頻率固定不變的雷達(dá)液位計(jì), 另一類是等幅可調(diào)頻率雷達(dá)液位計(jì)[7]。

 

　　雷達(dá)液位計(jì)具有以下兩個(gè)特點(diǎn): (1) 無位移, 無傳動(dòng)部件, 非接觸式測量, 不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制, 適用于黏度大的介質(zhì)、有毒或無毒衛(wèi)生型介質(zhì)、有腐蝕性介質(zhì)的物位測量[7]; (2) 雷達(dá)液位計(jì)沒有測量盲區(qū), 可實(shí)現(xiàn)很高的度 (分辨率) , 液位測量誤差***高可達(dá)1 mm (特殊情況下可達(dá)到0.1 mm) , 故其可作為商用計(jì)量儀表[8]。

 

　　3 影響雷達(dá)液位計(jì)測量的因素

 

　　影響雷達(dá)液位計(jì)測量的因素主要有以下三個(gè)。

 

　　(1) 環(huán)境溫度。

 

　　環(huán)境溫度會(huì)造成槽體內(nèi)易揮發(fā)的介質(zhì)結(jié)晶附著在雷達(dá)液位計(jì)的天線表面, 從而嚴(yán)重影響天線系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射和接收, 造成測量數(shù)值的波動(dòng)和假值。測量過程中介質(zhì)的不同溫差對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測量偏差有著重要的影響[9]。

 

　　(2) 蒸汽。

 

　　被測量槽體內(nèi)介質(zhì)上方會(huì)存在大量的蒸汽, 由于罐體處于地下, 罐壁氣溫較低, 蒸汽會(huì)在豎直的罐壁上凝結(jié)成液體小水珠。如果冷凝后的液體水珠不能將罐壁完全潤濕, 必然在罐壁上方產(chǎn)生很多小液滴。隨著蒸汽量的增加, 小液滴匯集后因重力影響落入罐內(nèi), 并形成液滴形成、匯集、掉落的循環(huán)過程。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 罐壁上液滴越多, 液位計(jì)顯示波動(dòng)越嚴(yán)重。由此說明罐壁上的液滴也是影響雷達(dá)液位計(jì)測量結(jié)果的重要因素。分析可知, 雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波遇到罐壁上的液滴后發(fā)生不規(guī)則的反射回波, 雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)無法區(qū)分這些反射回波, 從而引發(fā)液位測量故障。

 

　　(3) 液體的湍動(dòng)和氣泡。

 

　　罐體內(nèi)液體的流入和泵出會(huì)造成罐內(nèi)介質(zhì)液面的湍動(dòng)和氣泡的產(chǎn)生。這不僅會(huì)造成電磁波的吸收和散射, 還會(huì)造成電磁波的折射和反射, 極大地衰減反射回天線的有效電磁波信號(hào)的強(qiáng)度, 嚴(yán)重影響雷達(dá)液位計(jì)的準(zhǔn)確測量。

 

　　4 雷達(dá)液位計(jì)的改進(jìn)措施及應(yīng)用

 

　　4.1 測量結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

 

　　針對(duì)以上影響雷達(dá)液位計(jì)測量的因素, 對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的整體測量系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the improved radar level gauge 

 

　　改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)在普通雷達(dá)液位計(jì)的基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)波管和浮球。其中, 導(dǎo)波管必須垂直于液面安裝;浮球處于導(dǎo)波管內(nèi)部, 其直徑與導(dǎo)波管直徑相當(dāng), 材料視容器內(nèi)介質(zhì)密度而定, 材料密度應(yīng)小于介質(zhì)密度, 使其漂浮在介質(zhì)表面, 且可以隨著液位的升高在浮力的影響下于導(dǎo)波管內(nèi)部上下移動(dòng)。導(dǎo)波管上部和下部均設(shè)一開孔, 考慮到被測介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)堵塞導(dǎo)波管下部開孔位置, 可根據(jù)實(shí)際, 在不影響測量導(dǎo)波管結(jié)構(gòu)安全的情況下, 增加下開孔處環(huán)導(dǎo)波管同一平面的開孔數(shù)量。導(dǎo)波管上開孔可使浮球上部與容器內(nèi)上部氣壓一致, 保證導(dǎo)波管內(nèi)外液面相同。改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)天線發(fā)射的電磁波可以沿著導(dǎo)波管射向浮球, 并接收浮球反射回的電磁波, 從而通過計(jì)算浮球高度得到槽體內(nèi)介質(zhì)液面高度。

 

　　改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)安裝方便, 可用于封閉式、半封閉式以及開放式容器的液位測量。導(dǎo)波管可以阻擋由于外界湍流和氣泡引起的內(nèi)部液面波動(dòng), 有效地降低了介質(zhì)液面波動(dòng)引起的測量誤差。通過加裝測量套管, 減小了導(dǎo)波管內(nèi)介質(zhì)液面的揮發(fā)面積, 有效降低了易結(jié)晶介質(zhì)揮發(fā)后引起的測量誤差。

 

　　通過運(yùn)行液位補(bǔ)償算法, 可使液位測量結(jié)果更趨穩(wěn)定和[10]。

 

　　4.2 測量結(jié)構(gòu)安裝要點(diǎn)

 

　　改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)在安裝時(shí), 要與罐壁保持一定的距離, 并盡量避開加熱管和攪拌機(jī)構(gòu), 這樣才能有效避免其對(duì)改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)的干擾, 確保改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)準(zhǔn)確測出液位。改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)的天線使用錐體天線***佳。錐體天線沒有防護(hù)罩, 可以有效防止被測介質(zhì)因溫度而出現(xiàn)天線表面結(jié)晶現(xiàn)象, 從而給測量帶來不必要的影響。

 

　　導(dǎo)波管在安裝時(shí)一定要垂直于被測液面。電磁波的時(shí)間行程變化與導(dǎo)波管的直徑及其內(nèi)部的平整程度有很大關(guān)系。如果導(dǎo)波管內(nèi)部不平整, 會(huì)造成電磁波的回程時(shí)間增加且強(qiáng)度減弱, 從而不能得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

 

　　4.3 設(shè)備應(yīng)用

 

　　改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)被用于罐體及地下槽體液位的測量, 精度提高到0.1 mm, 測量結(jié)果穩(wěn)定可靠。重要的是, 該設(shè)計(jì)有效排除了外界測量環(huán)境對(duì)測量過程的影響, 維護(hù)量小, 極大地節(jié)約了人工和材料成本, 取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。穩(wěn)定、的測量結(jié)果為安全生產(chǎn)提供了有效的保障。

 

　　5 結(jié)束語

 

　　針對(duì)雷達(dá)液位計(jì)在實(shí)際使用過程中遇到蒸汽量大、液面擾動(dòng)、揮發(fā)介質(zhì)結(jié)晶等直接影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的狀況, 通過在傳統(tǒng)的容器液位測量裝置上加裝一種內(nèi)含浮球的導(dǎo)波管裝置, 有效地減小了雷達(dá)液位計(jì)天線處由于蒸汽凝結(jié)、介質(zhì)結(jié)晶、罐內(nèi)介質(zhì)液面波動(dòng)引起的液位測量誤差。這樣就保證了液位測量精度, 有效地排除了環(huán)境和介質(zhì)屬性等因素對(duì)改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)測量過程的影響。

 

　　化工生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜, 容器液位的測量受到多方面的影響。如果不能地測量出容器的液位變化情況, 極易發(fā)生不可挽回的安全事故, 造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。針對(duì)改進(jìn)后的測量裝置的安裝、使用、維護(hù)和故障處理, 提出以下幾點(diǎn)建議。 (1) 應(yīng)針對(duì)被測量介質(zhì)的屬性、測量環(huán)境和容器結(jié)構(gòu)等狀況, 進(jìn)行雷達(dá)液位計(jì)合理的選型工作。 (2) 必須嚴(yán)格控制雷達(dá)液位計(jì)工作環(huán)境的溫度穩(wěn)定, 使其在滿足生產(chǎn)工藝條件下維持一個(gè)相對(duì)不利于被測介質(zhì)揮發(fā)的溫度區(qū)間, 并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測。 (3) 應(yīng)根據(jù)電磁波特性, 保持波速一定, 降低雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的電磁波頻率, 可有效增大電磁波的波長。大波長電磁波遇到液滴可發(fā)生衍射, 降低因液滴發(fā)生電磁波反射的頻率, 避免了其對(duì)測量結(jié)果的影響。 (4) 必須建立雷達(dá)液位計(jì)臺(tái)賬, 完善每臺(tái)檢測儀器的信息, 掌握其動(dòng)態(tài)測量信息, 加強(qiáng)巡檢力度, 定期對(duì)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行維護(hù)。