AP1000項目現場采用脈沖雷達物位計產生的問題分析及解決方案

 

0前言

         雷達信號是一種特殊形式的雷達波，其物理特性與可見光類似，傳播速度相當于光速。與超聲波雷達液位計相比，其不受傳播介質的影響，可以在缺少介質 （真空） 或者具體氣化介質的條件下傳播，介質的溫度變化也不影響雷達波的傳播速度 [1] 。與超聲波相比具有很多優勢，被廣泛應用到工業，工程中物位測量中。AP1000項目中使用雷達液位計用于測量罐體內液位，換料水池液位等應用，其中脈沖雷達液位計使用較多，但是在一些特殊工況下，脈沖雷達液位計無法正常工作，比如一些較小容器，罐體內測量工況比較復雜，干擾較大，這種情況下導波雷達液位計將比脈沖雷達液位計可靠性更高。本文以一個案例作基礎，介紹脈沖雷達和導波雷達的優缺點，以及實際應用中如何選型。

 

1、脈沖雷達和導波雷達的測量原理

         脈沖雷達采用高頻，窄脈沖對微波源信號進行調制，以波束的形式發射固定頻率的脈沖波，脈沖波到達液位后再反射回接收器。從發射到接收信號的運行時間與容器中的液位成正比。通過計算脈沖波從發出到接收的時間，來確定物位的高度。測量原理如圖1所示。

 

         導波雷達與脈沖雷達原理類似，也是采用發射-反射-接收的工作方式 ，不同的是雷達波不是在空氣中傳播，而是通過金屬桿或柔性金屬纜繩進行傳播，導波雷達液位計的基礎是利用雷達波的時域反射（TDR）原理 ，TDR發生器可以每秒 產生20萬個能量脈沖，當脈沖遇到波導體與液面接觸時，由于波導體在氣體中和在液體中導電性能不同，介電常數發生突變，使波導體的阻抗發生變化，從而產生一個液位反射原始脈沖，同時在導體頂部具有一個預先設定好的阻抗，該阻抗產生一個可靠的基本脈沖，當原始脈沖與基本脈沖進行比較，存在時間差，可以計算出介質液位高度。測量原理如圖2所示。

         反射回來原始脈沖，經過信號處理，可以得到法蘭連接到被測介質表面的距離D，D與脈沖在導波桿上的傳播時間T成正比如圖3所示。

2、脈沖雷達液位計和導波雷達液位計比較

 

         通過表1，不難發現脈沖雷達液位計與導波雷達液位計相比，存在一些缺陷。脈沖雷達為非接觸測量，當測量范圍內有障礙物時容易產生虛假回波，脈沖雷達在安裝法蘭近端由于發射和接收回波的互相干擾，會有一定的盲區，并且影響精度；當液面有較大波動和較厚泡沫時，會造成雷達波被散射和吸收，造成測量受影響；當容器中存在攪拌器，或者管道等障礙物時，障礙物將反射雷達波，從而產生虛假液位信號，導致液位計測量受影響。在這些工況下，導波雷達液位計依據自身的特點，由于信號通過導波體傳播，安裝法蘭近端盲區很小，精度更高，戒指測量可以不受液面波動、泡沫的影響，如果罐體內有障礙物，可以采用同軸套管式導波雷達測量，雷達波在同軸套管內傳播，因此不受任何套管外障礙物的影響，因而儀表所接收的信號較強，返回信號的干擾信號也很弱，基本不受介質密度變化，介電常數變化 ，霧氣和泡沫等因素的影響，可以很好的彌補脈沖雷達液位計存在的缺陷。綜上所述，脈沖雷達適合較大儲罐，長量程，安裝條件理想的測量環境，導波雷達適合小量程、泡沫、凝露的測量環境。

 

3案例分析

3.1儀表異常表現

         在 AP1000 依托項目中 VYS 熱水采暖系統，MT01穩壓罐用來調節VYS系統熱水膨脹力平衡.罐體上方安裝有液位儀表VYS-JE-LT006，用來監測MT01罐體內部水位，根據水位高低來控制補水閥門開關，并發出報警。在進行VYS系統操作調試過程中，發現異?，F象。當把除鹽水向MT01罐自動充水時，液位顯示會偶然出現跳變，有時液位突然顯示為 0，有時顯示液位高于實際量程。當手動關閉閥門，停止充水后，液位顯示恢復正常。類似情況出現多次，只有調試人員斷開電源，重新接通電源后，液位顯示才能恢復正常。有時，還會出現在不充水情況下，液位顯示上下震蕩。當檢查液位傳感器時，發現傳感器的喇叭口上出現凝結水。如圖4所示，儀表液位輸出信號的動態圖，從圖4可以看出，紫色線出現幾次突然跳變現象，突然跳到滿量程，從滿量程突然變為0的異?，F象。

3.2原因分析

         （1） 在正常工況下，VYS熱水采暖系統的介質水溫大概為90°C左右，盡管罐體是一個隔熱的罐體，但是在罐體頂部存在一個排氣孔，高溫水蒸氣會在天線上冷凝，形成凝結水，這將影響傳感器發射雷達波信號，變送器輸出顯示故障，液位變送器輸出信號錯誤或者超出測量范圍。

         （2） 由于進水口距離液位計天線較近，當充水時，水流正好處于雷達喇叭口的下方，雷達波剛好打在料流上，此時測量并輸出水流的高度值，根本找不到真實液位的真實回波，所以一直處于滿量程狀態，如圖5所示。

         回波圖型如圖6所示。

 

         （3）進水管管徑較大，管徑為2”，水液位比較大，容易使液面濺起水花和漩渦，導致雷達波散射測量數值不準確。

 

3.3解決辦法

         （1）改變液位計選型，使用同軸套管式導波雷達液位計，替換脈沖雷達液位計，如圖7所示；

         （2） 更改進水管管徑，使進水管管徑由2”變為 1”。

 

         圖8為脈沖雷達更改為導波雷達后，液位輸出動態圖，從圖8可以看出，液位輸出信號不再出現突然跳變的現象。

4總結

         在液位計的選型上，應充分考慮被測介質的具體情況，根據過程壓力和溫度選擇合適的法蘭，根據量程及介質的介電常數，決定天線尺寸，一般情況，量程越大，介電常數越低，天線尺寸就應該越大。當容器內工況復雜，容易產生虛假回波，或者容易產生冷凝水，介電常數和介質密度變化對液位測量產生影響，導波雷達會是非常合適的選擇。