傳統(tǒng)的液位測(cè)量裝置由于其固有的缺點(diǎn)已無(wú)法適用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求。雷達(dá)液位計(jì)是一種利用微波而實(shí)現(xiàn)的液位測(cè)量?jī)x, 用于對(duì)儲(chǔ)罐、緩沖罐、穩(wěn)波管、旁通管中的液體、顆粒、漿料的物位進(jìn)行非接觸式測(cè)量, 具有不受溫度、壓力、惰性氣體和蒸汽影響、不受被測(cè)介質(zhì)物理特性變化影響等優(yōu)點(diǎn), 近年來(lái)在電力、石化、冶金、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

雷達(dá)液位計(jì)是按“俯視式”時(shí)間行程測(cè)量原理進(jìn)行工作的, 用于測(cè)量探頭安裝處到液位表面的間距。其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單, 主要由儀表外殼、過(guò)程連接和短桿天線組成。天線起始處有一將脈沖延遲發(fā)射100mm或250mm的屏蔽管, 以確保測(cè)量不受安裝接管處冷凝或粘附的影響。其測(cè)試原理見(jiàn)圖1。

微波脈沖從天線處向被測(cè)介質(zhì)表面發(fā)射, 發(fā)射波在液面處被反射, 反射波被同一天線接收, 發(fā)射及反射波束中的每一點(diǎn)都采用超聲采樣方法來(lái)采集, 發(fā)射及反射波束均被采樣, 經(jīng)信號(hào)處理后得到過(guò)程連接處到被測(cè)介質(zhì)表面的距離D, D正比于微波脈沖的時(shí)間行程T, 即:D=C×T2 (C是波束傳播速度, 為常數(shù)) 。因過(guò)程連接處到測(cè)量液位零點(diǎn)的距離E已知, 由此可算出液位高度L=E-D。

通過(guò)本機(jī)顯示或外部系統(tǒng)接口可手工或半自動(dòng)地輸入表格進(jìn)行線性化處理, 以便測(cè)量球罐、柱形罐、臥罐和圓柱錐底罐等容器的物位。

通常, 雷達(dá)液位計(jì)采用工作頻率為5.8GHz的微波脈沖信號(hào), 測(cè)量范圍可達(dá)20m, 并在20m范圍內(nèi)任意設(shè)定。其主要技術(shù)指標(biāo)如“技術(shù)指標(biāo)表”所示。

雷達(dá)液位計(jì)可實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè), 輸出4~20m A標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)并疊加HART協(xié)議數(shù)字通信信號(hào), 對(duì)于電流輸出型, 測(cè)量液位下限E點(diǎn)和測(cè)量液位上限F點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)輸出4m A和20m A。對(duì)于數(shù)字輸出型, 則分別對(duì)應(yīng)物位的0%和100%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作顯示器可把E、F等若干參數(shù)輸入雷達(dá)液位計(jì), 并存儲(chǔ)在內(nèi)部EPROM中, 雷達(dá)液位計(jì)在E與F設(shè)定值之間進(jìn)行測(cè)量。

單點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

雷達(dá)液位計(jì)采用兩線制24VDC供電, 可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作顯示器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組態(tài), 或經(jīng)過(guò)接口卡FXA191, 將雷達(dá)液位計(jì)傳送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào), 傳送至上位監(jiān)控PC機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)。組態(tài)時(shí)將液位下限E及液位上限F等參數(shù)輸入雷達(dá)液位計(jì), 利用現(xiàn)場(chǎng)操作顯示器時(shí)以菜單形式顯示, 可顯示復(fù)位、零點(diǎn)、滿量程、容器映圖、鎖定、解鎖等功能。

通過(guò)PC機(jī)可以觀察到測(cè)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(dòng)干擾自動(dòng)抑制功能, 使測(cè)量精度更加可靠。

多路測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。

多個(gè)雷達(dá)液位計(jì)的模擬輸出信號(hào)通過(guò)FXN672接口模塊和ZA轉(zhuǎn)換器, 進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換及傳送, 然后連接到上位監(jiān)控總線系統(tǒng), 總線可選用MODBUS、PROFIBUS、FIP、IN-TERBUS等總線。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)總線按接口模塊的不同地址位與各個(gè)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行組態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸。

以上介紹的雷達(dá)液位計(jì)為4~20m A信號(hào)輸出, 亦可選擇有數(shù)字輸出接口的雷達(dá)液位計(jì)。多路數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。將雷達(dá)液位計(jì)輸出連接至PROFIBUS-PA總線 (至多32個(gè)變送器, 在易爆危險(xiǎn)場(chǎng)合為10個(gè)) , 經(jīng)段耦合器連至PROFIBUS-DP總線與PC接口。采用具有數(shù)字輸出的雷達(dá)液位計(jì)在數(shù)據(jù)傳輸中能保證較高的測(cè)量精度。利用段耦合器將測(cè)量總線與輸出總線進(jìn)行電氣上隔離, 增加了系統(tǒng)的安全性與抗干擾性。

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

首先對(duì)容器設(shè)備進(jìn)行基本測(cè)量。輸入容器高度E、滿載高度F及應(yīng)用參數(shù)A (A是用來(lái)將儀表調(diào)到滿足測(cè)量要求的應(yīng)用參數(shù)) 。這些參數(shù)輸入后, 由智能顯示儀表或計(jì)算機(jī)得到的操作矩陣將被鎖定, 以保證設(shè)置不受意外情況影響, 再對(duì)采集到的數(shù)據(jù)線性化 (線性化過(guò)程描述了測(cè)量電平與罐容量或產(chǎn)品重量間的關(guān)系) 之后, 測(cè)量值將在相應(yīng)部分顯示出來(lái)。

考慮到被測(cè)液體介質(zhì)的物理特性對(duì)測(cè)量范圍的影響較大:介電常數(shù)較小的液體, 對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量距離影響大, 使測(cè)量范圍縮小;介電常數(shù)較大的液體, 對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量距離影響小, 使測(cè)量范圍增大。為保證較高的測(cè)量精度, 可將液體分為A、B、C、D四類。

A類:非導(dǎo)電液體, 如丙烷等, 介電常數(shù)小于1.4, 對(duì)測(cè)量距離影響大, 使測(cè)量范圍小;

B類:非導(dǎo)電液體, 如汽油、石油等, 介電常數(shù)約為1.9~4, 對(duì)測(cè)量距離影響較大, 測(cè)量范圍中等;

C類:如濃縮的酸、有機(jī)溶劑醋、乙醇、丙酮、油水混合物等, 介電常數(shù)約4~10, 對(duì)測(cè)量距離影響較小, 測(cè)量范圍大;

D類:導(dǎo)電液體, 如水溶液、稀釋的酸堿等, 介電常數(shù)>10, 對(duì)測(cè)量距離影響小, 測(cè)量范圍***大。

儲(chǔ)罐的形狀對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量范圍及測(cè)量精度基本沒(méi)有影響, 但是當(dāng)被測(cè)液體的表面有紋波出現(xiàn)時(shí), 液體表面的反射波對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量有干擾, 直接影響到測(cè)量精度, 所以要采取減小測(cè)量范圍的方法來(lái)確保測(cè)量精度。

可以根據(jù)下面三種情況選擇雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量范圍。

(1) 當(dāng)儲(chǔ)罐液體表面平穩(wěn)時(shí)。對(duì)于介電常數(shù)小于1.4的A類液體, 測(cè)量范圍選擇為5m;對(duì)介電常數(shù)為1.9~4的B類液體 (汽油、石油等) , 選擇的測(cè)量***大范圍為10m;對(duì)介電常數(shù)為4~10的C類液體 (濃縮的酸, 有機(jī)溶劑醋等) , 選擇的測(cè)量***大范圍為15m;對(duì)介電常數(shù)大于10的D類液體 (水溶液、稀釋的酸堿等) 可選擇的測(cè)量***大范圍為20m。

(2) 當(dāng)儲(chǔ)罐 (緩沖罐) 液體表面有紋波時(shí)。對(duì)介電常數(shù)為1.9~4的B類液體, ***大測(cè)量范圍選擇5m;對(duì)介電常數(shù)4~10的C類液體 (濃縮的酸, 有機(jī)溶劑醋等) , 選擇的測(cè)量***大范圍為10m;對(duì)介電常數(shù)大于10的D類液體 (水溶液、稀釋的酸堿等) , 可選擇的測(cè)量***大范圍為15m。

(3) ) 在儲(chǔ)罐內(nèi)安裝穩(wěn)波管或儲(chǔ)罐外安裝旁通管時(shí) (見(jiàn)6) , 由于雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的微波沿管壁向下傳導(dǎo), 能量損失小, 所以不同液體介質(zhì)特性及液體表面特性對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量范圍的影響減小。如使用直徑為50mm的穩(wěn)波管或旁通管, 對(duì)不同介電常數(shù)的液體, 其測(cè)量范圍均可選擇為10m。如使用直徑為80mm的穩(wěn)波管或旁通管, 對(duì)不同介電常數(shù)的液體, 其測(cè)量范圍均為20m。即使用旁通管或穩(wěn)波管, 可以擴(kuò)大雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量范圍。

在安裝時(shí)應(yīng)注意:發(fā)射天線中心軸線與被測(cè)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(chǔ)罐中心位置, 因?yàn)檫@樣會(huì)使虛假回波增強(qiáng)。盡量避開(kāi)下料區(qū)、攪拌器等干擾源;盡量避開(kāi)震動(dòng)、高壓清洗及橫向負(fù)載。雷達(dá)液位計(jì)可以采用螺紋或法蘭直接安裝在罐頂部, 也可安裝在導(dǎo)波管或旁通管頂部。與傳統(tǒng)接觸式液位計(jì)相比它具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 安裝簡(jiǎn)便、費(fèi)用低。在煉油廠罐區(qū)測(cè)量應(yīng)用時(shí), 可以不用清罐和倒罐, 直接利用原有條件安裝, 節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。

(2) 維護(hù)費(fèi)用低, 幾乎免維護(hù), 要求備品備件量少, 節(jié)約資金。降低了儀表工的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高了生產(chǎn)效率。

(3) 智能化, 精度高, 工作可靠, 功能強(qiáng)大。有自檢、干擾抑制、隨時(shí)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(nèi)液位轉(zhuǎn)換成體積顯示和輸出。輸出數(shù)字信號(hào)可以進(jìn)行通信, 可保證將來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)。

雷達(dá)液位計(jì)在液位測(cè)量中完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求, 是一種性價(jià)比很高的儀表, 其工作性能穩(wěn)定可靠, 操作方便安全, 保護(hù)等級(jí)較高, 抗干擾能力強(qiáng), 推廣應(yīng)用前景廣闊。其特點(diǎn)總結(jié)如下:

(1) 應(yīng)用微波實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量, 應(yīng)用范圍廣, 可用于液體、乳狀體、熔融體等形態(tài)物體的液位測(cè)量;被測(cè)介質(zhì)可以是易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)的高溫、高壓狀態(tài)物質(zhì)。

(2) 采用數(shù)字與模擬兩種輸出方式, 可以單臺(tái)或多臺(tái)按總線式配置, 能方便地與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連接。

(3) 具有智能化數(shù)據(jù)處理能力, 雷達(dá)液位計(jì)有干擾回波抑制功能。

(4) 該儀表輻射率低, 僅為1W, 對(duì)周圍環(huán)境及人員沒(méi)有危害。

(5) 具有保安防爆功能, 可帶到現(xiàn)場(chǎng)操作。

(6) 通過(guò)對(duì)不同天線的匹配選擇, 從而具有抗腐蝕功能。

(7) 性能可靠、價(jià)格合理。