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雷達(dá)液位計在槽體液位測量中的影響因素及應(yīng)用特點
隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，曾經(jīng)是的雷達(dá)液位計產(chǎn)品現(xiàn)如今已經(jīng)走入尋常百姓家，目前雷達(dá)液位計的測量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在許多工業(yè)平臺都有著普遍的使用，對于普通性的測量現(xiàn)場雷達(dá)液位計都有著非常的表現(xiàn)，測量液位過程中的眾多優(yōu)點得到了用戶一致的認(rèn)可，不過對于易揮發(fā)結(jié)晶介質(zhì)的液位測量仍舊存在不同程度的范圍性。為增強(qiáng)雷達(dá)液位計的使用性能，通過對生產(chǎn)過程中使用的雷達(dá)液位計在對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)液位計的測量原理和結(jié)構(gòu)特點，本文提出了一種行使雷達(dá)液位計與導(dǎo)波管相結(jié)合的測量技巧，為化工企業(yè)生產(chǎn)中雷達(dá)液位計的使用提供了參考。
該改進(jìn)型雷達(dá)液位計結(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顛簸、測量介質(zhì)等因素的影響，使測量精度提高了10倍以上，抗攪擾能力大大增強(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)液位計的創(chuàng)新性在于結(jié)合了導(dǎo)波管與雷達(dá)液位計的優(yōu)點，成功辦理了雷達(dá)液位計在液位測量過程中的范圍性。該研究成果辦理了槽體液位測量過程中常見的問題，同時為石化、焦化、化工等行業(yè)生產(chǎn)過程中雷達(dá)液位計的使用技巧提供了一些啟示。
1 背景介紹
工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到對容器內(nèi)液體的物位測量的情況，人們運用多種技巧來進(jìn)行液位的測量，導(dǎo)波雷達(dá)液位計和普通雷達(dá)液位計即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范圍性。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)液位計為接觸式測量，其導(dǎo)波桿會被粘上焦油等雜質(zhì)，從而影響液位計的正常測量。與之相比，可實現(xiàn)非接觸式測量的雷達(dá)液位計更顯優(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)，但液面顛簸也會影響普通雷達(dá)液位計的測量精度。采用非接觸式液位測量的方式另有超聲波液位計，但其信號的“拖尾”現(xiàn)象影響了**時間準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響液位測量的精度。雷達(dá)液位計是一種采用微波測量技術(shù)的非接觸式液位測量儀表，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，雷達(dá)波反射較好、測量精度高。但實際應(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、液體流入和泵出時造成的液面顛簸、雷達(dá)天線表面結(jié)晶等因素攪擾，會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)顛簸，這將直接導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)無法真實反映液位信息。
針對以上影響槽體液位測量的因素，對雷達(dá)液位計及其附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)和測量技巧進(jìn)行了針對性改進(jìn)，可有效避免以上攪擾因素對液位測量結(jié)果的影響，保證雷達(dá)液位計的可靠運行。多次試驗表明，該技巧穩(wěn)定、可靠，改進(jìn)后的測量系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有良好的使用效果。
2 雷達(dá)液位計的組成及工作原理
2.1 組成概述
雷達(dá)液位計由天線系統(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，電子部件將時間信號轉(zhuǎn)換成物位信號，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)液位計結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
2.2 工作原理
雷達(dá)液位計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)射和反射回來的時間，從而計較出容器內(nèi)液位。雷達(dá)液位計的天線系統(tǒng)發(fā)射極窄的電磁波脈沖。這個脈沖以光速在空間內(nèi)傳播，遇到被測介質(zhì)表面，其片面能量被反射回來，被同一個天線系統(tǒng)接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔與天線系統(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間差與微波波速之間的關(guān)系，實現(xiàn)容器介質(zhì)液位的測量。由于電磁波的傳播速度*，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔很?。╪s 量級），因此很難確認(rèn)時間間隔大?。?］。目前，市場主流雷達(dá)液位計有兩類，一類是發(fā)射頻率固定不變的雷達(dá)液位計， 另一類是等幅可調(diào)頻率雷達(dá)液位計。
雷達(dá)液位計具有以下兩個特點：①無位移，無傳動部件，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；②雷達(dá)液位計沒有測量盲區(qū)，可實現(xiàn)很高的度（分辨率），液位測量誤差高可達(dá)1 mm（特殊情況下可到達(dá)0.1 mm），故其可作為商用計量儀表。
3 影響雷達(dá)液位計測量的因素
影響雷達(dá)液位計測量的因素主要有以下三個。
①環(huán)境溫度。
環(huán)境溫度會造成槽體內(nèi)易揮發(fā)的介質(zhì)結(jié)晶附著在雷達(dá)液位計的天線表面，從而嚴(yán)重影響天線系統(tǒng)的信號發(fā)射和接收，造成測量數(shù)值的顛簸和假值。測量過程中介質(zhì)的不同溫差對雷達(dá)液位計的測量偏差有著重要的影響。
②蒸汽。
被測量槽體內(nèi)介質(zhì)上方會存在大量的蒸汽，由于罐體處于地下，罐壁氣溫較低，蒸汽會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*潤濕，勢必在罐壁上方產(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，液位計顯示顛簸越嚴(yán)重。由此說明罐壁上的液滴也是影響雷達(dá)液位計測量結(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)液位計信號處理系統(tǒng)無法辨別這些反射回波，從而引發(fā)液位測量故障。
③液體的湍動和氣泡。
罐體內(nèi)液體的流入和泵出會造成罐內(nèi)介質(zhì)液面的湍動和氣泡的產(chǎn)生。這不僅會造成電磁波的吸收和散射，還會造成電磁波的折射和反射，地衰減反射回天線的有效電磁波信號的強(qiáng)度，嚴(yán)重影響雷達(dá)液位計的準(zhǔn)確測量。
4 雷達(dá)液位計的改進(jìn)措施及應(yīng)用
4.1 測量結(jié)構(gòu)及應(yīng)用
針對以上影響雷達(dá)液位計測量的因素，對雷達(dá)液位計的整體測量系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。改進(jìn)型雷達(dá)液位計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
改進(jìn)型雷達(dá)液位計在普通雷達(dá)液位計的基礎(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)波管里面，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)波管里面上下挪動。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)外面相像。改進(jìn)型雷達(dá)液位計天線發(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，從而通過計較浮球高度得到槽體內(nèi)介質(zhì)液面高度。
改進(jìn)型雷達(dá)液位計安裝方便，可用于關(guān)閉式、半關(guān)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里面液面顛簸，有效地降低了介質(zhì)液面顛簸引起的測量誤差。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。
通過運行液位補(bǔ)償算法，可使液位測量結(jié)果更趨穩(wěn)定和。
4.2 測量結(jié)構(gòu)安裝要點
改進(jìn)型雷達(dá)液位計在安裝時，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改進(jìn)型雷達(dá)液位計的攪擾，確保改進(jìn)型雷達(dá)液位計準(zhǔn)確測出液位。改進(jìn)型雷達(dá)液位計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)波管在安裝時一定要垂直于被測液面。電磁波的時間行程變更與導(dǎo)波管的直徑及其里面的平整程度有很大關(guān)系。如果導(dǎo)波管里面不服整，會造成電磁波的回程時間增加且強(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)計有效排除了外界測量環(huán)境對測量過程的影響，維護(hù)量小，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
針對雷達(dá)液位計在實際使用過程中遇到蒸汽量大、液面擾動、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)液位計天線處由于蒸汽凝結(jié)、介質(zhì)結(jié)晶、罐內(nèi)介質(zhì)液面顛簸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)屬性等因素對改進(jìn)型雷達(dá)液位計測量過程的影響。
化工生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境相對復(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更情況，極易發(fā)生不可挽回的安全變亂，造成重大的人員和財產(chǎn)損失。針對改進(jìn)后的測量裝置的安裝、使用、維護(hù)和故障處理，提出以下幾點建議。
①應(yīng)針對被測量介質(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)液位計合理的選型工作。
②必須嚴(yán)格控制雷達(dá)液位計工作環(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相對不利于被測介質(zhì)揮發(fā)的溫度區(qū)間，并實現(xiàn)及時溫度監(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，避免了其對測量結(jié)果的影響。
④必須建立雷達(dá)液位計臺賬，完善每臺檢測儀器的信息，掌握其動態(tài)測量信息，加強(qiáng)巡檢力度，定期對雷達(dá)液位計進(jìn)行維護(hù)。定。該標(biāo)準(zhǔn)具有開創(chuàng)性。
（2）性與科學(xué)性。
①性。
任何一個國家的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，皆代表國家形象與技術(shù)水平。因此，作為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)具有性、科學(xué)性與實用性。該標(biāo)準(zhǔn)邀請國家計量科學(xué)研究院、中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所、東北大學(xué)、上海工業(yè)自動化儀表研究院等國內(nèi)計量、科研、高等院校及生產(chǎn)單位共同實現(xiàn)。由此可以看出，該標(biāo)準(zhǔn)的編制具有很強(qiáng)的實用性與性。
②科學(xué)性。
該標(biāo)準(zhǔn)無國內(nèi)外可參考的數(shù)據(jù)。因此，必須以科學(xué)試驗數(shù)據(jù)作為編制該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)與依據(jù)，進(jìn)行大量試驗。為此，在編制過程中為了確定熱電動勢的穩(wěn)定性試驗時間，進(jìn)行了1 000 多小時的高溫試驗。同樣地，為了確定常溫與高溫絕緣電阻值，也進(jìn)行了多次試驗。總之，該標(biāo)準(zhǔn)以自行試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，認(rèn)真聽取各方意見，經(jīng)反復(fù)討論推敲后，確定了各項技術(shù)指標(biāo)。
該標(biāo)準(zhǔn)自2011年10月21日下達(dá)計劃，至2015年11 月，經(jīng)過四年的艱苦努力，新標(biāo)準(zhǔn)終于批準(zhǔn)發(fā)布了。工業(yè)鎢錸熱電偶將告別無技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的時代。新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布必將促進(jìn)我國甚至世界工業(yè)鎢錸熱電偶的發(fā)展與應(yīng)用。當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)尚有不完善之處，有待在今后的工作中進(jìn)一步修改與補(bǔ)充。