摘要：
  目前市場上雷達液位計作為一種新型的液位測量裝置已受到普遍關注, 三暢儀表在此詳述雷達液位計的工作原理及特性, 測量系統的組成, 選型要求和安裝要點等。
 
引言
   傳統的液位測量裝置由于其固有的缺點已無法適用現代工業生產的需求。雷達液位計是一種利用微波而實現的液位測量儀, 用于對儲罐、緩沖罐、穩波管、旁通管中的液體、顆粒、漿料的物位進行非接觸式測量, 具有不受溫度、壓力、惰性氣體和蒸汽影響、不受被測介質物理特性變化影響等優點, 近年來在電力、石化、冶金、化工等領域得到了廣泛應用。

1 雷達液位計測量原理及其特點
   雷達液位計是按“俯視式”時間行程測量原理進行工作的, 用于測量探頭安裝處到液位表面的間距。其結構非常簡單, 主要由儀表外殼、過程連接和短桿天線組成。天線起始處有一將脈沖延遲發射100mm或250mm的屏蔽管, 以確保測量不受安裝接管處冷凝或粘附的影響。其測試原理見圖1。

圖1 測試原理

 
   微波脈沖從天線處向被測介質表面發射, 發射波在液面處被反射, 反射波被同一天線接收, 發射及反射波束中的每一點都采用超聲采樣方法來采集, 發射及反射波束均被采樣, 經信號處理后得到過程連接處到被測介質表面的距離D, D正比于微波脈沖的時間行程T, 即:D=C×T2 (C是波束傳播速度, 為常數) 。因過程連接處到測量液位零點的距離E已知, 由此可算出液位高度L=E-D。
通過本機顯示或外部系統接口可手工或半自動地輸入表格進行線性化處理, 以便測量球罐、柱形罐、臥罐和圓柱錐底罐等容器的物位。
   通常, 雷達液位計采用工作頻率為5.8GHz的微波脈沖信號, 測量范圍可達20m, 并在20m范圍內任意設定。其主要技術指標如“技術指標表”所示。

技術指標表

2 測量系統
   雷達液位計可實現智能化檢測, 輸出4~20m A標準模擬信號并疊加HART協議數字通信信號, 對于電流輸出型, 測量液位下限E點和測量液位上限F點分別對應輸出4m A和20m A。對于數字輸出型, 則分別對應物位的0%和100%。通過現場操作顯示器可把E、F等若干參數輸入雷達液位計, 并存儲在內部EPROM中, 雷達液位計在E與F設定值之間進行測量。

2.1 單點測量系統
   單點測量系統如圖2所示。

圖2 單點測量系統

 
   雷達液位計采用兩線制24VDC供電, 可以通過現場操作顯示器進行現場組態, 或經過接口卡FXA191, 將雷達液位計傳送出的模擬信號轉變為數字信號, 傳送至上位監控PC機上進行遠程組態。組態時將液位下限E及液位上限F等參數輸入雷達液位計, 利用現場操作顯示器時以菜單形式顯示, 可顯示復位、零點、滿量程、容器映圖、鎖定、解鎖等功能。
   通過PC機可以觀察到測量曲線, 看到有哪些干擾、干擾物在何位置及干擾幅度有多大, 并可啟動干擾自動抑制功能, 使測量精度更加可靠。

2.2 多路測量系統
   多路測量系統如圖3所示。

圖3 多路測量系統

 
   多個雷達液位計的模擬輸出信號通過FXN672接口模塊和ZA轉換器, 進行數字轉換及傳送, 然后連接到上位監控總線系統, 總線可選用MODBUS、PROFIBUS、FIP、IN-TERBUS等總線。上位監控計算機通過總線按接口模塊的不同地址位與各個雷達液位計進行組態與數據傳輸。

2.3 多路數字測量系統

圖4 多路數字測量系統

 
   以上介紹的雷達液位計為4~20m A信號輸出, 亦可選擇有數字輸出接口的雷達液位計。多路數字測量系統如圖4所示。將雷達液位計輸出連接至PROFIBUS-PA總線 (至多32個變送器, 在易爆危險場合為10個) , 經段耦合器連至PROFIBUS-DP總線與PC接口。采用具有數字輸出的雷達液位計在數據傳輸中能保證較高的測量精度。利用段耦合器將測量總線與輸出總線進行電氣上隔離, 增加了系統的安全性與抗干擾性。

2.4 智能測量系統的工作流程
   系統工作流程如圖5所示。

圖5 系統工作流程

 
   首先對容器設備進行基本測量。輸入容器高度E、滿載高度F及應用參數A (A是用來將儀表調到滿足測量要求的應用參數) 。這些參數輸入后, 由智能顯示儀表或計算機得到的操作矩陣將被鎖定, 以保證設置不受意外情況影響, 再對采集到的數據線性化 (線性化過程描述了測量電平與罐容量或產品重量間的關系) 之后, 測量值將在相應部分顯示出來。

3 雷達液位計的選型與安裝要點
3.1 影響測量距離的主要因素
   (1) 液體介質特性對測量范圍的影響
   考慮到被測液體介質的物理特性對測量范圍的影響較大:介電常數較小的液體, 對雷達液位計的測量距離影響大, 使測量范圍縮小;介電常數較大的液體, 對雷達液位計的測量距離影響小, 使測量范圍增大。為保證較高的測量精度, 可將液體分為A、B、C、D四類。
   A類:非導電液體, 如丙烷等, 介電常數小于1.4, 對測量距離影響大, 使測量范圍小;
   B類:非導電液體, 如汽油、石油等, 介電常數約為1.9~4, 對測量距離影響較大, 測量范圍中等;
   C類:如濃縮的酸、有機溶劑醋、乙醇、丙酮、油水混合物等, 介電常數約4~10, 對測量距離影響較小, 測量范圍大;
   D類:導電液體, 如水溶液、稀釋的酸堿等, 介電常數>10, 對測量距離影響小, 測量范圍zui大。
   (2) 測量液體表面特性對測量距離的影響
   儲罐的形狀對雷達液位計的測量范圍及測量精度基本沒有影響, 但是當被測液體的表面有紋波出現時, 液體表面的反射波對雷達液位計的測量有干擾, 直接影響到測量精度, 所以要采取減小測量范圍的方法來確保測量精度。

3.2 雷達液位計測量范圍的選擇
   可以根據下面三種情況選擇雷達液位計的測量范圍。
   (1) 當儲罐液體表面平穩時。對于介電常數小于1.4的A類液體, 測量范圍選擇為5m;對介電常數為1.9~4的B類液體 (汽油、石油等) , 選擇的測量zui大范圍為10m;對介電常數為4~10的C類液體 (濃縮的酸, 有機溶劑醋等) , 選擇的測量zui大范圍為15m;對介電常數大于10的D類液體 (水溶液、稀釋的酸堿等) 可選擇的測量zui大范圍為20m。

圖6 加裝穩波管或旁通管測量

 
   (2)當儲罐 (緩沖罐) 液體表面有紋波時。對介電常數為1.9~4的B類液體, zui大測量范圍選擇5m;對介電常數4~10的C類液體 (濃縮的酸, 有機溶劑醋等) , 選擇的測量zui大范圍為10m;對介電常數大于10的D類液體 (水溶液、稀釋的酸堿等) , 可選擇的測量zui大范圍為15m。
   (3)在儲罐內安裝穩波管或儲罐外安裝旁通管時 (見6) , 由于雷達液位計發射的微波沿管壁向下傳導, 能量損失小, 所以不同液體介質特性及液體表面特性對雷達液位計的測量范圍的影響減小。如使用直徑為50mm的穩波管或旁通管, 對不同介電常數的液體, 其測量范圍均可選擇為10m。如使用直徑為80mm的穩波管或旁通管, 對不同介電常數的液體, 其測量范圍均為20m。即使用旁通管或穩波管, 可以擴大雷達液位計的測量范圍。

3.3 雷達液位計的安裝要點
   在安裝時應注意:發射天線中心軸線與被測物料表面保持垂直, 并與罐壁至少保證30cm的間距。避免安裝在儲罐中心位置, 因為這樣會使虛假回波增強。盡量避開下料區、攪拌器等干擾源;盡量避開震動、高壓清洗及橫向負載。雷達液位計可以采用螺紋或法蘭直接安裝在罐頂部, 也可安裝在導波管或旁通管頂部。與傳統接觸式液位計相比它具有以下優點:
   (1) 安裝簡便、費用低。在煉油廠罐區測量應用時, 可以不用清罐和倒罐, 直接利用原有條件安裝, 節省時間和費用。
   (2) 維護費用低, 幾乎免維護, 要求備品備件量少, 節約資金。降低了儀表工的勞動強度, 提高了生產效率。
   (3) 智能化, 精度高, 工作可靠, 功能強大。有自檢、干擾抑制、隨時顯示、檢查輸出電流值、人工模擬輸出液位值和電流值等功能, 并可將罐內液位轉換成體積顯示和輸出。輸出數字信號可以進行通信, 可保證將來的系統升級。

結語
   三暢儀表的雷達液位計在液位測量中完全能滿足現場要求, 是一種性價比很高的儀表, 其工作性能穩定可靠, 操作方便安全, 保護等級較高, 抗干擾能力強, 推廣應用前景廣闊。其特點總結如下:
   (1) 應用微波實現非接觸式測量, 應用范圍廣, 可用于液體、乳狀體、熔融體等形態物體的液位測量;被測介質可以是易燃、易爆、腐蝕性強的高溫、高壓狀態物質。
   (2) 采用數字與模擬兩種輸出方式, 可以單臺或多臺按總線式配置, 能方便地與上位監控計算機相連接。
   (3) 具有智能化數據處理能力, 雷達液位計有干擾回波抑制功能。
   (4) 該儀表輻射率低, 僅為1W, 對周圍環境及人員沒有危害。
   (5) 具有保安防爆功能, 可帶到現場操作。
   (6) 通過對不同天線的匹配選擇, 從而具有抗腐蝕功能。
   (7) 性能可靠、價格合理。
 

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