尿素生產(chǎn)是在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕和易結(jié)晶的工況下進(jìn)行的,因此,儀表的選型就必須考慮這些因素,以解決腐蝕、堵塞、高溫、高壓及氣蝕等問題。隨著儀表的更新?lián)Q代,技術(shù)水平的不斷進(jìn)步,一些新型智能液位計得到了廣泛應(yīng)用。筆者主要介紹導(dǎo)波雷達(dá)液位計在尿素裝置碳銨液貯槽液位測量中的應(yīng)用。

  LT-09403 液位計用于碳銨液貯槽的液位檢測。原采用Rosemount 1151 差壓變送器,且在使用差壓變送器測量液位時,為了防止被測介質(zhì)結(jié)晶堵塞儀表和導(dǎo)壓管,多采用沖洗水吹掃。在測量過程中,由于受沖洗水壓力影響,儀表波動較大、測量準(zhǔn)確性差,需要定期排表,而且冬季極易凍堵,影響工藝人員的正常操作,增大了儀表工的日常維護(hù)量。為了保證儀表長期穩(wěn)定運(yùn)行,將碳銨液貯槽的LT-09403 液位計進(jìn)行改造。選用美國Magnetrol公司生產(chǎn)的Eclipse 705 導(dǎo)波雷達(dá)液位計,該表是具有高科技含量的新型智能液位測量儀。它與差壓變送器、浮筒液位計比較,不受被測介質(zhì)比重的變化影響; 與電容、射頻導(dǎo)納液位計比較,它不受介電常數(shù)變化的影響。而且它不需要在廠調(diào)校,也不需要現(xiàn)場調(diào)校,只需要輸入液位計數(shù)據(jù)即可進(jìn)行組態(tài),實現(xiàn)儀表的準(zhǔn)確測量,具有無法比擬的優(yōu)點。

  雷達(dá)液位計的測量,是發(fā)射- 反射- 接收雷達(dá)信號波的過程。雷達(dá)傳感器以波束的形式發(fā)射雷達(dá)信號,當(dāng)?shù)凸β始{秒微波脈沖向下發(fā)射抵達(dá)被測介質(zhì)表面時,部分能量被反射回儀表,回波信號仍由傳感器接收。雷達(dá)信號是一種特殊形式的電磁波,其物理特性與可見光相似。光在空氣或其他介質(zhì)中的傳播速度是恒定不變的常數(shù),所以雷達(dá)脈沖信號從發(fā)射到接收的運(yùn)行時間與傳感器到介質(zhì)表面的距離成比例。

  雷達(dá)信號是否可以被反射,取決于兩個因素:一是被測介質(zhì)的導(dǎo)電性,二是被測介質(zhì)的介電常數(shù)。所有導(dǎo)電的介質(zhì)都能很好地反射雷達(dá)信號,即使介質(zhì)的導(dǎo)電性不是很好,也會被準(zhǔn)確地測量。被測介質(zhì)的導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大,雷達(dá)信號的反射效果就越好。

  Eclipse 705 導(dǎo)波雷達(dá)液位計的結(jié)構(gòu)和測量原理如圖1 所示。

Eclipse 705 導(dǎo)波雷達(dá)液位計采用了時域反射( Time Domain Reflectometry,TDR) 原理,由TDR發(fā)生器產(chǎn)生一個沿探測桿向下傳送的電磁脈沖波。通過超高速計時電路來計算脈沖從發(fā)射到反射的時間差,即可獲得液位計表頭和液位的距離。用給定的容器高度,減去所測量出來的距離,即可得出液位的高度。

Eclipse 705 導(dǎo)波雷達(dá)液位計采用兩線制,直流24V供電,儀表輸出4 ~ 20m A信號并適用HART協(xié)議。它所發(fā)射的微波信號是通過導(dǎo)波桿傳播,而不是通過空氣傳波的,使用導(dǎo)波桿能集中波的能量,有參考目標(biāo)。針對相應(yīng)介質(zhì)選擇不同的導(dǎo)波桿,其傳播速率幾乎不受溫度變化的影響。根據(jù)測定,當(dāng)溫度為500℃ 時,反射時間的變化僅為0. 020%[1]。另外,微波傳播也幾乎不受空氣密度變化的影響,因此導(dǎo)波雷達(dá)液位計能在真空或受壓狀態(tài)下正常工作,真空狀態(tài)下微波傳播速率相對空氣狀態(tài)下僅變化0. 029%[1]。對于易揮發(fā)性氣體和惰性氣體,導(dǎo)波雷達(dá)液位計的測量均沒有影響。但若被測介質(zhì)處于湍流狀態(tài),或有大量泡沫時,對微波信號的衰減,應(yīng)引起足夠的重視。當(dāng)介質(zhì)的相對介電常數(shù)小到一定值時,雷達(dá)波的有效反射信號衰減過大,導(dǎo)致液位計無法正常工作,因此被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)必須大于儀表所要求的***小值。

一般情況下,Eclipse 705 導(dǎo)波雷達(dá)液位計對安裝無特殊要求,它具有螺紋和法蘭兩種安裝方式,實際上都是頂部安裝,如圖2所示。其變送器具有快速拆長度就是設(shè)計要求的測量范圍。

為了提高儀表的測量精度,應(yīng)注意以下幾個問題: 一是導(dǎo)波桿應(yīng)與設(shè)備的進(jìn)液口保持一定的距離; 二是儀表盡量避免用于具有強(qiáng)烈流體運(yùn)動的場合; 三是根據(jù)被測介質(zhì)、工況條件和所要求的測量范圍,選擇合適的導(dǎo)波桿,導(dǎo)波桿可在現(xiàn)場進(jìn)行適當(dāng)?shù)那懈睢?/p>

無須任何標(biāo)定、啟動或維護(hù),只要將儀表測量所需的數(shù)據(jù)輸入,完成組態(tài),就可準(zhǔn)確地進(jìn)行儀表測量。它所需要的主要數(shù)據(jù)為:

測量單位 選擇測量單位(厘米或英寸)

儀表型號 選擇使用的儀表型號

連接方式 選擇儀表連接方式,法蘭或螺紋

導(dǎo)波管長度 準(zhǔn)確輸入導(dǎo)波管的長度

偏移量 以導(dǎo)波管頂端為參考點時,輸入0.0

介電常數(shù) 選擇被測介質(zhì)的介電常數(shù)范圍

零點設(shè)定 輸入0%液位距離參考點的高度

量程設(shè)定 輸入100%液位距離參考點的高度

儀表數(shù)據(jù)的輸入既可用變送器操作面板的按鍵,也可通過HART275 手操器輕易完成組態(tài)。但應(yīng)注意,零點和量程的組態(tài)需考慮導(dǎo)波桿頂端和底端的測量死區(qū)。死區(qū)是指無法測量或測量精度降低的區(qū)域,儀表的測量范圍應(yīng)在兩個死區(qū)之間。

  經(jīng)過幾年的應(yīng)用,總結(jié)出導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量的優(yōu)點是: 適用范圍廣,液位計不受設(shè)備形狀的影響; 也不受介電常數(shù)、溫度、壓力及密度等條件變化的影響,可測量介電常數(shù)在1. 4 ~ 100. 0( 空氣的介電常數(shù)是1. 0) 之間的幾乎所有的液體或漿體,又可測量介電常數(shù)或比重變化復(fù)雜工況情況下的介質(zhì); 測量長度無須標(biāo)定,測量結(jié)果具有高精度、可重復(fù)性、高分辨率,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,有多種探頭類型和材質(zhì)可供選擇,數(shù)字化顯示可供選擇,維護(hù)量少,可很好地用于石油化工設(shè)備中烴類及其他介質(zhì)液位的測量。存在的主要問題有: 須考慮儀表防腐,液位計表頭與電極桿的連接插針多選用的是銅質(zhì),尿素等介質(zhì)多含有氨氣,極易將插針腐蝕,影響儀表的正常測量。因此,在使用中應(yīng)做好儀表的防腐。