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雷达物位计在酒钢生产上应用选型研究

发布:2022-11-07 10:58:39人气:302
1.前言
雷达物位计是一种新型物位测量仪表,它采用与介质非接触的测量方式,具有准确度高、测量范围大、无可动部件、安装简单、使用可靠、不受温度、压力、蒸气、气雾和粉尘的限制,适用于各种高温、高压、强腐蚀的恶劣环境,在石油、化工冶金、水泥等行业得到广泛应用。尤其适用于大型贮罐、料仓的物位测量,它是通过天线向被测介质表面发射微波,然后测出微波发射和反射回来的运行时间,并经过智能化信号处理而得容器内物位的
一种仪表。
上世纪80年代初脉冲雷达(TOF)物位计进入工业化应用,进入2000年后出现了更为先进的调频连续波雷达(FMCW)和导波雷达(TDR),成为过程控制工业罐区物位监测的佳选仪表。
 
2.雷达物位计的结构原理与分类
2.1脉冲雷达物位计
脉冲雷达物位计是采用行程时间或传播时间TOF(time of flight)测量原理,又称回波测距原理。它是利用相同频率的微波,在空间中的传播时间来进行度量的一种方法。微波在信号源与被测对象之间传递,微波到达被测对象后被反射并返回到探头上被接收,属于非接触测距,其频率一般低于7GHz。
天线发射器向距离为D的被测物料发射微波,微波来回所经过的时间用T表示,可得到距离D与时间T的关系为:
D=CT/2       ①
公式①中:D-天线到被测介质的距离,m;C-电磁波的传播速度,c=3×10的8次方m/s;T-探头从发射电磁波至接收到反射电磁波的时间,s。脉冲雷达物位计的测量方法正是利用①中距离D与时间T的关系求得距离D的。由于微波传播速度C为常数,保持不变。只要测得雷达探头天线发出的微波到达被测对象后被反射回探头天线的时间T,就可得到距离D。
2.2调频连续波雷达物位计
调频连续波(FMCW)雷达的原理为发送具有一定带宽、频率线性变化的连续信号,再对接收到的连续信号进行快速傅里叶变换,通过发送与接收信号的频率差来计算两个信号的时间差,zui后与脉冲波雷达物位计一样,由时间差得到对应的距离值。FMCW雷达能够获取很高的精度,其精度主要取决于压控振荡器的线性度和温漂,FMCW雷达通过发射频率调制的连续波信号,从回波信号中提取目标距离信息。FMCW分为线性调频和非线性调频(如正弦波调频)两种使用非线性调频方式时,每个目标产生的差拍频率不唯一,一般只适用于单目标的场合,如雷达高度计等;线性调频方式适合于用FFT算法测量频率,应用广。这种方式使每个目标产生的差拍信号都是单一频率,但其对线性调频的线性度要求很高,比较常用的调制波形是三角波和锯齿波,物位仪表常用锯齿波高频方式。FMCW雷达发射和接收信号的原理如图1所示。
图1中,实线为雷达天线发送信号ft,虚线为雷达接收信号fr,B为信号的带宽。发射信号的调频周期T要远大于目标zui大回波时延td,即信号由天线发送经物料反射,再由天线接收所经的时间td比信号期T要小得多。发送信号和接收信号由于时延引起频率的变换它们的频率差就是差频信号,可用fif表示。显然差额信号fif的大小正比于天线与目标间的距离R,即:
R=Ct/2b*fif       ②
公式②中:c-光速,3×10的8次方m/s;T-信号周期,B为信号带宽,均为已知参数。获得差频信号f的值zui简单的方法是利用傅里叶变换方法,通过频谱分析求得。
与脉冲雷达相比,调频连续波方式测量线路较复杂,从而测量精确度较高,同时干扰回波也较易去除,一般用于较高端的测量方案。
FMCW雷达发射的是连续波比脉冲雷达的(峰值)功率小很多。发射功率小具有以下优点:
①电源电压大大降低,这对于用于油舱内液位测量系统的安全性非常重要;②发射系统便于用固态器件实现,从而使得发射系统尺寸大大减小,可靠性提高;③FMCW雷达极宽的信号带宽使其具有很高的距离分辨率和距离测量精度,以及较强的抗干扰性。
2.3导波雷达物位计
导波雷达物位计是一种微波物位计,根据测量能量波运动过程的时间差来确定物位变化的情况。由电子装置对微波信号进行处理,zui终转化成与物
位相关的电信号。这里的能量波是脉冲能量波,能量辐射水平低(频率一般比智能雷达物位计低)。导波雷达物位计是依据时域反射原理(TDR)为基础的雷达物位计,微波发生器产生的电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播,当遇到被测介质表面时,波导体与被测介质(液体或固体)表面接触时,由于波导体在气体中和被测介质中的导电性能大不相同,这种波导体导电性的改变使波导体的阻抗发生聚燃变化,从而产生一个物位反射原始脉冲,并沿相同路经返回到脉冲发射装置,发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比,经计算得出介质高度。另外,高导电性介质(例如水等)液位产生较强的反射脉冲,而低导电性介质(如烃类)产生反射较弱,低导电性介质使得某些电磁波能沿着探头(波导体)穿过液面继续向下传播,直至完全消散或被一种较高导电性的介质反射回来,这就使我们有可能采用雷达物(液)位计测量两种液体的界面(如油/水界面)等。
2.4特性分类
2.4.1按发射雷达波的频率分:可分为高频雷达和低频雷达。高频雷达发射的24GHz A26GHz 高频微波,根据波的特性:速度=波长ⅹ频率,我们可以得知24GHz 的微波其波长较5.8GHz频段的雷达波的波长要短的多。一般的讲,固体料面的形状是倾斜而且粗糙的,较小的波长可以保证发射出去的雷达波能够在粗糙的固体表面zui大程度地被反射回雷达探头。因而高频雷达主要应用于固体介质和大量程场合的测量。低频雷达发射微波频率在5.8~6.3GHz,主要应用于液体介质和小量程场合的测量。
2.4.2按天线的形式分:可分为普通雷达和导波雷达。普通雷达发射的微波通过空间传播;导波雷达则是通过波导体传导来发射和接收电磁波
 
3.技术特点
雷达物位计的电磁波发射形式虽然各异,产品结构也有所不同,但它们都有共同的技术优势和特点。
(1)雷达物位计测量时发射的电磁波能够穿透真空,不需要传输媒介,具有不受大气、雾气、泡沫、粉尘影响的特点。
(2)雷达物位变送器采用一体化设计结构,无可动部件,不存在机械磨损,运行稳定,使用寿命长。
(3)测量准确度高,分辨率可达1mm;测量范围大,zui大测量范围可达120m,所以特别适用于高大贮罐的物位测量。
(4)雷达物位计发射的电磁波在被测介质表面反射时,信号会衰减,介质的导电性越好或介电常数越大,反射信号越强。但在实际应用中,几乎所有的介质都能反射足够的反射波。因此,它几乎能用于所有液体的液位测量,同时也适用于测量固体颗粒、粉末的物位,适用范围特别广。
(5)采用非接触式测量,不受被测介质各种物理特性的影响,特别是在温度较高、压力较高和蒸汽较大的场合更能发挥其优越性。
(6)标定简单,测量响应快,雷达物位计具有故障报警及自诊断功能。
 
4.选型原则
雷达物位计由于测量精度高、耐高温、高压的能力强,以及采用非接触的测量方式,成为过程控制物位监测的首选仪表,是近年逐步在现场应用的先进测量技术。但在使用过程中也暴露出一些问题,主要是设计选型失误。由于种类和品牌较多,如果在设计阶段不能结合工况条件选择适宜的产品,就可能造成雷达物位计无法正常使用。在选用物位仪表时,应区别不同介质工作条件及过程要求,选用成本低、精度高、价格适中性能可靠的测量仪表。
4.1介电常数的选择
首先要确定被测介质的介电常数。雷达物位计是基于发射-反射-接受的过程来实现物位测量的。因此被测介质对雷达波的反射率是必须考虑的,而介质对雷达波的反射率跟介质的介电常数成正比。目前,主流雷达物位计要求的zui低介电常数约为15,介电常数低于1.5的介质不应选用雷达物位计。对于一些刚过临界点的介质比如一些液化石油气的介电常数约为1.6左右,这种临界情况下,如果选用非接触式雷达物位计,一般采用增加一根导波管的方案,增强雷达波回波信号,即可满足测量要求。低介电常数和变介电常数的被测介质,优选导波雷达。低介电常数液体介质反射信号弱,信号衰减严重,物位波动和泡沫散射引起信号减弱,罐内障碍物反射引起虚假信号,为此就需要发射较强的电磁波信号,并采用功能强的微处理器进行复杂的信号处理。
这就使得常规交流供电雷达物位计价格非常昂贵,但仍难以较好的解决在上述条件下的物位测量问题。导波雷达和常规雷达一样,采用传输时间来测量介质物位,信号自烃类[介电常数2~3]液体表面或自水[介电常数80]面反射回传的时间一样的,不同的只是信号幅度(强度)的差别。普通雷达必须考虑介质的影响,比较难辩识返回的各种信号,从杂散信号中检出真正的物位信号,而导波雷达仅需测量电磁波的传输时间即可,无需信号的处理和辨别。电磁波可以穿透空间蒸汽、粉尘等干扰源,遇到障碍物易于被反射,被测介质导电性越好或介电常数越大,回波信号的反射效果越好。
4.2量程的合理选择
在选用雷达物位计时,往往有一种错误看法,认为选用的量程只要大于槽罐的高度就行。事实上,雷达物位计上标识的量程可能是它的zui大量程,选型时还要看容器的特性,如贮罐表面平稳还是有波纹,甚至有搅拌。同一型号的雷达料位计在不同情况下所能测量的实际料位有很大差别。E+h司的FMR-231E雷达,量程是20m,只是表面平稳液体可以测量20m,如用在无搅拌有波纹的缓冲罐上,就只能测量10m。用其测量十几米的带有搅拌的料位时,经常测量不到低料位,这实际是选型量程不够,增加量程后问题得到解决。
4.3各种被测介质的不同选择
4.3.1测量液体物位的选型
对于液面相对平稳的罐体,且被测液体的介电常数较高,可以选择普通雷达物位计。对于液面波动大、或带有搅拌的罐体,或被测液体的介电常数较低,应优选导波雷达。因为导波管对液面有整型作用,且导波雷达的微波反射不易受环境条件变化的影响。被测液体的介电常数和密度变化对测量结果没有影响。对于粘度≤500cst且不易产生粘附的介质,管式探头是zui佳方案,可用于介电常数大于等于14的任何介质,测量与介质的导电性无关,罐内障碍物及短管尺寸不影响测量,比杆式探头能承受的横向压力高。对于高粘度的介质,被测液体的粘度≥500cst,且液体粘附性较强的情况,不能选择导波管方式测量,因为粘附和结晶会堵死导波管,从而形成虚假物位,可以选择导波杆方式来测量。介质在探头上的涂污对测量物位的影响可分为两种:膜状涂污和桥接。膜状涂污是在物位降低时,高粘液体或轻油浆在探头上形成的一种覆盖层,由于这种涂污在探头上涂层均匀,因此对测量基本无影响;但桥接性涂污的形成却能导致明显的测量误差当块状或条状介质污垢粘结于波导体上或桥接于两个波导体之间时,就会在该点测得虚假物位。
由于液面波动和随机噪声等因素的影响,检测信号中必然混有大量噪声,为了提高检测的准确度必须对检测信号进行处理,尽可能消除噪声。
对于有泡沫的液位测量:进料飞溅引起的泡沫或介质中混杂的泡沫对雷达波的反射没有影响。对一些泡沫较少的介质,选用SaabTankRadar PRo,在介质选项中选介质泡沫,可以对有泡沫的液位进行较准确的测量。但剧烈化学反应产生的大量厚重的泡沫会吸收和散射雷达波,回波质量很差。酒钢选矿厂二浮选槽液位,由于槽内剧烈的化学反应产生大约lm多厚的泡沫,采用包括sieMeNS 司高频的APEX 等多种雷达,都不能解决这一问题。
对于带有蒸汽的液位测量:实际应用中常常遇到蒸汽很大的液位测量问题,如酒钢焦化厂鼓风冷凝液槽,安装后一直很正常,测量也比较准确,但是使用一周多后,开始出现失波现象,检查不出任何问题,重新安装又恢复正常。这样反复多次,都不能解决问题。理论上说蒸汽对雷达不会有任何干扰,这正是它的优点。通过分析认为形成干扰的不是蒸汽,而是凝结在发射天线上的冷凝水。改用棒式天线,冷凝水顺天线流掉问题得到解决。增加吹扫装置也可以解决这一问题。
4.3.2测量固态物位的选型
由于固态物料(如沙石、煤炭等)的料面都有一定的安息角,固态料面的测量基本上是利用雷达波在粗糙表面的漫反射。微波在粗糙的固态表面(包括颗粒状物料表面)上的反射状况与微波波长表面粗糙度(颗粒状物料的粒径)有关。当表面粗糙度与微波波长接近或大于波长时,微波会产生漫反射,类似光波在毛玻璃上的反射。
由于漫反射的作用,微波的大部分能量都散射了,返回的只是一小部分能量。经常会因此导致失波的现象,故测量固态料面时,会选择比测量同样距离的液面发射更强(大一倍或更大量程)的微波能量。漫反射的强度与物料大小成正比,与波长成反比,形成漫反射的条件近似于:固体颗粒直径>1/6波长。波长λ与频率f的关系为:
c=λf       ③
公式③中:c-电磁波的传播速度c=3×10的8次方m/s;λ-雷达波的波长, mm;f-雷达波的频率,GHz。
通过公式③可以算出采用K波段频率为26GHz的雷达物位计时,其波长约为8.6mm,对颗粒直径为2mm以上的物料都可形成良好的漫反射;而当c为光速3×10的8次方m/s,采用X波段频率为6.3GHz的雷达物位计时,由式③可得波长约为52mm,对于粒径较小的颗粒状物位,漫反射效果差,回波信号干扰严重。为改善雷达物位计测量性能,可提高发射信号的频率,雷达物位计在测量散装料位时,大部份散装料直径远远小于50mm,这就是目前26GHz雷达是测量散装料物位zui佳选择的原因。
对于粉状物料,特别是气动传输的粉状物料的测量:虽然理论上粉尘对雷达没有影响,但大量粉尘也能产生散射,影响回波,可以选择缆式导波雷达。由于微波在钢缆中传输,物料在输送过程中产生的粉尘对测量没有影响。闪速炉的精矿、石英、粉煤可采用E+H公司的FMP40系列的缆式导波雷达,测量效果良好。
对于颗粒状或块状物料的测量:导波雷达的导波缆绳又容易被坚硬的物料损坏,在石灰石仓料位测量就遇到这样的问题,须选用高频雷达物位计,而且微波的发射角愈小愈好,因为微波的频率越高,微波的波长越短,保证发射出去的雷达波能够在粗糙的固体表面zui大程度地被反射回雷达探头,发射角愈小,形成杂波和漫发射的概率就越小。采用SIEMENS司的高频LR400雷达由于其发射角小,回波信号好,采用连续调频技术,抗干扰能力大大提高,固态甚至气动传输的粉料也得到准确测量。
4.4雷达天线选择
4.4.1棒式天线
绝缘棒天线通常用聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料制成,耐腐蚀性能较好,可用于强酸、碱等介质。但微波发射角较大(约30°),并且边瓣较多,对于罐内结构较复杂的情况,干扰回波会较多,信噪比小,精度较低。但易于清洗,常用于测量运行条件较好、口径较大、测量范围小的槽罐和腐蚀性介质。如果被测介质易挥发冷凝,zui好选择棒形天线或水滴型天线;如E+H公司生产的FMR231型雷达,适合于测量腐蚀性介质,工作压力可达16MPa,被测介质温度可达200℃。
4.4.2喇叭口天线
锥形喇叭天线的发射角与喇叭直径及频率见表1。
在同频率下,喇叭直径越大,发射角越小,如果是高频雷达料位计,发射角就更小,准确度更高。如 SIEMENS 司的APEX T雷达,测量精度可达±1mm。许多缓冲罐、储罐、反应罐等都选用这类天线,但这类天线不适用于腐蚀性介质的测量。大多数经济型雷达都采用5.8GHz或6.3GHz的微波频率,其发射角较大,容易在容器壁或内部构件上产生干扰回波。虽然喇叭天线增大可以减小发射角,但体积增大,安装不便,而且改善有限。采用高频率的雷达,如SIEMENS 司的LR400(24GHz)、Vega 司的Ⅴega Plus68(26GHz),发射角可以到8°,这样即使在测量狭长的料罐物位时,也能有较高的测量
精度。如果用于大量程的测量场所选大喇叭口天线雷达物位计,小的喇叭天线则适用于小型容器。如果被测介质流动性较差并有挂料现象,那么选择喇叭或棒状雷达物位计。
4.4.3抛物面天线
这是推出的新型天线,多用在高频发射的雷达,由于其发射角只有7°,非常适合测量精确目标和饶过障碍物进行测量。但其天线尺寸大,如果用Ⅹ波段,直径达Φ454mm,开孔尺寸要大于500mm,安装使用不太方便。
4.4.4平面天线
平面天线采用平面阵列技术,即多点发射源与单点发射源相比,由于测量其于一个平面,而不是一个确定的点,配合相应电子线路,可使雷达物位计的测量精度达±1mm,可用于储罐精密计量,主要用于计量级雷达物位计。平面天线适用于多种工况。
4.4.5套管天线
当介电常数较小(1.6~3)或液面产生持续涡流或容器内装置造成假反射时,应选这类仪表。套管对雷达波有聚焦作用,天线装在导波管中或旁路管中。套管内径大小对雷达波传播时间产生影响,所以在参数设置时,应设置套管内径参数,对行程内时间进行补偿。另外,这类天线要求被测介质流动性好,不易挂料。如果被测容器带有搅拌叶桨,并且叶桨的旋转半径几乎和罐的直径相等,那么雷达液位计的回波将会受到严重干扰这时选用导波管式雷达液位计。
4.4.6导波雷达天线
通过导波金属或缆绳收发电磁波,属接触测量。由于它对粉尘、蒸汽、导波杆上粘附介质等影响较小,所以更广泛地应用在固体料位和介电常数很小的液位测量。双缆式导波雷达液位计是采用测量电容的变化来测量液面的高低的,两电极间的介质即为液体及其上面的气体,适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量,根本上解决温度、湿度、压力、物质的导电性等因素对测量过程的影响,因而具有很高的抗干扰性和可靠性同轴管式雷达液位计加装同轴管式探头的导波雷达物位计,应用于介电常数较低的或表面波动液体的液位测量和控制;如果被测物料的介电常数太低,一般类型的雷达物位计都不适合。
 
5.结束语
雷达物位计由于是一种非接触式物位测量仪表,优点较多,近几年来发展飞快,国内外不同厂家不断推陈出新,产品琳琅满目,给不少客户在选型问题上带来了困难。本文通过对如何选型的介绍,为使用者提供多方面的参考依据,能够有效解决选型失误问题,使雷达物位计能够有效运用在不同领域、不同工况上。
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