導波雷達液位計以導波桿( 纜) 結構作為傳輸介質,具有信號損耗小、回波質量高及能耗損失低等諸多優(yōu)點,測量效果不受真空、密度變化、壓力變化、劇烈的空氣流動及劇烈的溫度變化等影響,同時對粉塵環(huán)境和揮發(fā)性液體的氣相成分、物料表面的波動、泡沫和障礙物相對不敏感[1],還可測量界位。基于上述諸多優(yōu)勢,導波雷達液位計在環(huán)保、化工、石油、食品、醫(yī)藥、造紙、水處理、電力、水泥、煤粉及塑料等領域或行業(yè)應用廣泛。

  苯乙烯的生產過程具有高真空及易聚合等特點,為此,陜西延長石油( 集團) 有限責任公司延安煉油廠苯乙烯裝置在儲罐及塔器等液位測量的設計中,大量采用導波雷達液位計來實現(xiàn)相關液位的較準確測量。但是,導波雷達液位計在苯乙烯裝置使用中存在一些問題,筆者在仔細分析原因之后,有針對性地提出了解決辦法。

  雷達液位計采用時域反射原理( Time Domain Reflectometry,TDR) ,電磁脈沖以光速沿鋼纜或導波桿( 纜) 傳播,當遇到被測介質表面時,部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置,發(fā)射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比,進一步計算發(fā)射脈沖和回波脈沖的時差就能得到發(fā)射電路到該介質接觸點的距離[2,3]。行程時間原理( TOF) : 發(fā)射出一個機械波或電磁波,該波以波速C進行傳播,波在介質表面被反射,接收反射波,測量運行時間T, 計算接收中心與反射表面的距離D = T × C /2。

  導波雷達液位計采用TDR原理與等效時間采樣( Equivalent Time Sampling,ETS) 技術,測量發(fā)射與反射脈沖之間的時間差,通過等效時間采樣技術將納秒級的傳導時間放大為毫秒級,采用優(yōu)化的識別算法進行處理,對虛假回波進行有效抑制和屏蔽,從而達到測量的目的。

  常見的回波法液位儀表有: 超聲波物位計、非接觸雷達及導波雷達等。

  超聲波是機械波,機械波在傳播過程中會受到傳播介質穩(wěn)定程度的影響。引起空氣波動的因素很多,如粉塵、氣浪、蒸汽及料流等,同時會降低回波質量,致使液位計很難識別出有效回波,直接影響測量效果。超聲波在現(xiàn)場應用時要考慮被測介質的空間狀態(tài)和表面狀態(tài),當粉塵及氣浪等現(xiàn)象嚴重時,建議用低頻超聲波物位計。

  Radar一詞來源于無線電探測和測距( Radio Detection and Ranging) ,因非接觸式雷達物位計發(fā)射和接收的是電磁波,相比超聲波液位計有諸多優(yōu)點,即精度高且使用范圍廣等,而且發(fā)射與接收均不與測量介質接觸; 高頻電磁波易于長距離傳輸,可測量大量程; 測量不受液面上部空間氣相條件變化的影響。雷達液位計發(fā)射和接收高頻 ( GHz) 電磁波,通過計算發(fā)射波和回波時間進行液位測量,與超聲波液位計相比優(yōu)點突出: 超聲波液位計聲納所發(fā)出的聲波是一種通過大氣傳播的機械波,大氣成分會引起聲速的變化,如液體蒸發(fā)汽化會改變聲波的傳播速度,從而引起超聲波液位測量的誤差,電磁波可在氣體介質中傳播,并且氣體的波動變化不影響電磁波的傳播速度,故雷達液位計就有了更加廣泛的應用空間。

  導波雷達液位計則彌補了雷達測量液位中的缺陷,雷達液位計 + 導波桿( 纜) = 導波雷達液位計,導波雷達液位計多了一個能定向集中傳輸電磁波的導波體,為信號至液面往返傳輸提供了一條高效通道,導波雷達輸出到探頭的信號能量非常小,約為常規(guī)雷達發(fā)射能量( 1. 0MW) 的10% ( 約0. 1MW)[4],信號衰減保持在***小程度,因而不能用于測量介電常數(shù)很低( 小于1. 4) 的液體。 此外由于導波雷達耗能小,采用回路供電而不是單獨的交流供電,從而節(jié)省了安裝費用。普通雷達為非接觸式測量,導波雷達為接觸式測量,這樣就意味著導波雷達更需要考慮介質的腐蝕性和粘附性,而且過長的導波雷達纜繩安裝和維護相對困難。測量固體物料時,導波雷達還要考慮導波桿( 纜) 的受力情況,也是由于受力的原因一般用導波雷達的測量距離不會很長。在一些特殊工況導波雷達有明顯優(yōu)勢,如罐內有攪拌且介質波動大的工況,用底部固定的導波雷達測量要比變通雷達穩(wěn)定; 還有小罐體內的物位測量,由于安裝測量空間小( 或罐內干擾物較多)[5],一般普通雷達不適用,這時導波雷達的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了; 還有低介電常數(shù)的工況,無論雷達還是導波雷達測量原理都是基于介質介電常數(shù)的差別,由于普通雷達發(fā)射的波是發(fā)散的,當介質介電常數(shù)過低時,信號太弱測量不穩(wěn)定,而導波雷達波是沿導波桿 ( 纜) 傳播信號的,因而相對穩(wěn)定; 另外一般的導波雷達還有底部探測功能,導波雷達液位計可以根據(jù)底部回波信號修正測量結果,使信號更為穩(wěn)定準確。

在導波雷達的應用中,***好能通過專門的組態(tài)軟件完成組態(tài)和分析,比如E + H的Field Care或Rosemount的Radar Master,通過分析回波曲線,能夠直觀檢查雷達液位計的工作狀況。

陜西延長石油( 集團) 有限責任公司延安煉油廠苯乙烯裝置污油罐上安裝導波雷達液位計后,一直存在液位波動大的問題。起初排查問題的焦點一直在參數(shù)的設置上,可是多次調整相關參數(shù)而問題仍未得到徹底解決。通過觀察該雷達的回波曲線,發(fā)現(xiàn)雷達液位計導波桿( 纜) 末端有強烈的正向回波信號,如圖1所示,并且在安裝法蘭側存在異常的參考回波,經分析這就是導致導波雷達液位計不能正常工作的原因。

問題找到后,對該儀表的安裝短管進行了擴徑,由原來的DN40mm改為DN80mm,異常參考回波信號消失。對于底部異常正向回波,是因為導波雷達液位計末端與容器內伴熱盤管相接觸, 產生了信號接地,致使雷達波與容器存在信號短路,從而產生強烈的正向回波,在與工藝確認后, 將導波雷達液位計的導波桿( 纜) 截短,調試投運后的回波曲線如圖2所示,回波曲線達到理想狀況,罐體液位指示準確。

導波雷達液位計接收到的信號有些是容器內障礙物或多次回波產生的雜波,這些雜波信號也會隨著液位的變化而變化,從而產生虛假液位,如圖3所示。

這些干擾或雜波信號可以通過干擾波信號閾值進行剔除,適當調整回波閾值,將回波閾值抬升至實際液位回波信號強度的一半左右,以消除和屏蔽雜波干擾,保證真實液位信號能夠被識別出來,如圖4所示。

  電磁波在穿越空氣和液體時,其傳播速度會發(fā)生變化,這就使得在回波曲線圖中看到的導波桿( 纜) 的末端長度會比實際長度要長,即存在末端偏移量( End of Probe-shift,EOP-shift) ,如圖5所示。利用這一現(xiàn)象,即使回波信號很微弱,物位L也可通過末端回波信號 ( EOP-signal) 的計算得到,使導波雷達的應用更加廣泛[6]。在EOP-shift和物位之間存在如下關系:

  其中末端回波斜率EOP-slope( End of Probeslop) 是一個與介質介電常數(shù) ε 有關的量 ( ε = ( EOP-slope + 1)2) 。若物位信號和EOP-signal可以被檢測到,那么EOP-slope就可以不間斷地重復計算,當回波消失時物位就可以通過式( 1) 計算得到。

  導波雷達液位計常被應用于低介電常數(shù)場合 ( 如液化氣) ,低介電常數(shù)介質產生的回波信號也比較弱,在存在雜波和干擾波的信號中檢出正確的液位回波就要困難些,應用基礎的回波定位法測量液位[7]有時就難以實現(xiàn),通過改變回波閾值也起不到作用,此時就可以考慮應用底部回波算法來解決。如圖6所示,箭頭所指為真實液位的回波,導波雷達液位計很難從回波中找到真實液位,液位曲線呈跳變狀態(tài),測量無法進行,在應用底部回波算法后,該問題迎刃而解,底部回波算法使導波雷達具有了一種冗余測量物位的方法,達到了高度的可靠性和安全性。

  盡管導波雷達液位計具有較強的信號處理和分辨功能,能從大量的雜散波中分辨出真實的液位信號,但當用于復雜安裝環(huán)境時( 如設備內存在構件、泡沫和粉塵) ,對其實際工作性能會有影響,因此在安裝時需特別注意。對導波雷達波形識別算法的改進和優(yōu)化,使得導波雷達液位計在工業(yè)生產中發(fā)揮了重要的作用。