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雷達物位計在粒堿料位測量中的應用
發布日期:2019/9/25 15:08:26
隨著化工生產的自動化程度的提高控制系統現場儀表的應用越來越廣泛。儀表進入了一個新的發展時期新型儀表不斷出現。雷達液位計就是近年開始應用的新型測量儀表在石油、化工等行業得到廣泛應用,適用于各種高溫、高壓、強腐蝕的惡劣環境。
某公司的10萬噸年粒堿系統裝置擁有兩套成品粒堿料倉。粒堿即粒狀燒堿是固體燒堿(氫氧化鈉)產品的一種放置在空氣中會吸收空氣中的水分發生潮解與二氧化碳反應發生變質并且在堆積的過程中會產生大量的堿塵另外粒堿具有較強的腐蝕性。根據粒堿的以上物理特性經過多方考證和咨詢,公司決定使用雷達物位計來對粒堿料倉的料位進行實時監控。此雷達物位計大量増加了智能化設計與市場中的大多數產品相比具有許多明顯優點例如:全范圍的智能化處理、更強的信號與干擾信號辨別能力、小信號自動增益的處理能力;通過雙端口技術、良好的表面跟蹤能力以及抗冷凝和防塵天線提供ZUI佳性能和正常運行時間;具備多種過程連接件、材質、天線和高低頻率型號在應用方面提供高靈活性;可以用于容器中有干擾物體介質中有泡沫、有粉塵、液面有明顯的顫抖其測量原理和精度不受介質密度、溫度、壓力及其介質腐蝕性等工藝條件的影響從而該產品有廣泛的適應性和高穩定性。
 
1.雷達物位計工作原理
雷達工作頻段為24G-26GHz(K段)是一種調連續波(FMCV)原理的非接觸式雷達FMCW雷達采用了高頻電磁波信號(24G-26GHz)進行測量內部電路在2CHz(24G-26GHz)范圍進行掃頻(線性遞增)生成頻率與距離的關系在距離為1米時顏率差有300Hz左右1毫米時有0.3Hz;如果以時間為基準1米距離的時間差只有3.3納秒,1毫米時為3.3皮秒所以無法以時間為基準但通過對頻率差的處理(傅里葉變換),可以得到不同發射物質(距離)的頻譜由罐高減去此距離就可以得到液位和相關的參數。問題是雷達的發射能量有限(環境污染)和在介質空間中很容易被吸收同時在發射路徑中遇到任何物質都會有不同的反射所以在信噪處理、反射角度控制、安裝位置選擇都需要考慮。在經過相當時間摸索和運用案例總結后,積累了許多經驗和教訓在軟件和硬件做了許多調整和修改后在抗千擾等方面具備了很好的技術和先進特點。測量原理見圖


2.空譜測量技術
24GHz頻率調制連續波是以2GHz頻率為單位的連續掃頻通過不同規格的天線向外發射由于頻率的提高帶寬加大使得同等發射角度下天線的尺寸可大大減小所需要的功耗也大大降低,可以保證更大的傳播距離更高的精度;大家知道由于頻率的提高同時會帶來更多的反射(周圍的所有物品都會引起反射)在大量的干擾中無法確認有效的信號。雷達中使用了空頻譜分析技術在初始設置時,可以對空罐(或者部分空罐時)進行頻譜分析將干擾源
或固定不移動(変化)的物體進行頻譜記錄相當于先記錄各種干擾源的頻譜;在進行正常測量時將包括干擾源和被測物位的頻譜全部檢測出來(功率譜)然后結合空頻譜進行相關分析生成相關譜將固定干擾從測量信號中刪除只剩下所需要物位的譜。此方法大大提高了抗干擾能力和對現場工況的適應能力。可以應用于有攪拌、晃動或罐內有管道等障礙物的情況是許多同類產品所不具備的。
 
3.雷達物位計在粒堿料位測量中的實際應用
經過4年多的使用,公司粒堿料倉使用的雷達料位計運行情況相當穩定,且指示準確既節省了儀表維護費用又有效保障了設備和人生安全提升了物位指示的準確性保障了工藝正常生產。粒堿料倉上半部分位移圓柱體而下半部分是一錐體的形狀(料倉結構示意圖見圖)

下料口位于設備的一側將雷達液位計安裝在料倉錐形體正上方將錐形體底部向上的一段距離設置為測量死區,將其不作為料位的測量數值這樣固體堿在料倉的一側會不斷堆積當料堆積到一定程度時就會大量的向另一側塌方,料位也會突然地大幅度變化。由于雷達物位計是工作頻段為24G-26GHz的一種調頻連續波(FMCW)原理的非接觸式雷達它以2GHz頻率為單位的連續掃描通過天線向外發射由于頻率的提高帶寬加大使得同等發射角度下天線的尺寸可大大減小所需要的功耗大大降低可以保證更大的傳輸距離更高的精度。由于頻率的提高同時會帶來更多的反射以上粒堿料倉中料位的不規則變化性都會引起反射,雷達物位計使用了空頻譜分析技術在初始設置時對料倉進行頻譜分析將各種干擾源或變化的物體進行頻譜記錄相當于先記錄干擾源的頻譜在進行正常測量時將包括干擾源和被測物位的頻譜全部檢測出來然后結合空頻譜進行相關分析,生成相關譜將固定
干擾從測量信號中刪除,只剩下所需要物位的譜,此方法大大提高了抗干擾能力和對現場工況的適應能力,可以應用于以上料位不規則變化的工況這是許多同類產品所不具備的。
 
4.雷達物位計儀表特點
4.1全中文顯示界面
a,中文觸摸屏人機界面,160x160點陣9行字符8層灰度方便現場調試安裝;
b.表頭現場顯示有多種內容(液位、距離、體積、百分比等)可供選擇;同時有多種方式(罐體圖、棒狀圖、波形圖等)直觀顯示
C,全中文顯示包括正常運行參數、各層的組態的參數、在線幫助和故障出錯提示全部為中文界面
d.故障/測量錯誤中文列表:如遇到測量出錯或者參數設置錯誤在屏幕上將會出現中文的在線錯誤提示會顯示出錯原因和時間對于現場故障檢測和排除非常有幫助;
4.2二線制通訊儀表
a.二線制現場儀表(4~20Ma+HART,14~30VDC供電):盡管有大屏幕的耗能還支持足夠的功率來保證40米長的測量范圍
b.雙輸出:在液位、距離、體積、質量、界面等中,可以任意選擇其中2項同時輸出不需要通過信號分配器;
C.電源中加有特別的潓波處理,可以消除來自各種電源網的噪音和干攏
4.3外殼
a.外部結構為鋁合金材質按照隔爆要求設計,無需特
b.擁有電源部分和電子模塊部分相互獨立的雙腔式結構接線安全和容易;可以滿足本安和防爆等特殊場合的要求
4.4天線
a.多種天線規格,DN40,DN50、DN80和更大(DN100
b.天線加長型ZUI長可以加長到1米,以滿足不同罐體安裝、不同測量范圍和不同介質的需要
C.發射角度比一般產品要小:2.5(DN100,單邊)5°(DN8O)10(DN50)和15°(DN40),米時的反射半徑只有130毫米(DN80)
d.天線的材料可以是3161(標準)或者哈氏合金(可選)
4.5低介電常數的測量
a,由于雷達的反射率沒有導波雷達強通常產品不能測量介電常數比較小(<=1.5)的介質對于這類產品往往干擾信號回波的幅值要比物位的回波幅值要大所以罐底跟蹤技術就很重要。
b.直接測量可以達到1.5(介電常數)罐底跟蹤模式可測量到1.1介質幾乎大多數介質物位都可以測量(總體講比導波雷達效果要差);
c.被測量介質的溫度、壓力、密度、粘度等對測量沒有影響只與介電常數相對值有關;
4.6獨特的空頻譜設置
功率譜和空頻譜,功率譜:雷達接收到的所有回波的頻譜;空頻譜:對罐內不變化(移動)的固定的干擾信號進行的頻譜分析;相關譜經過二個譜互相關計算后,去除各種已經紀錄的干擾信號進而得到真實的液/物位;使用該技術后對于容器中有干擾物體有泡沫有蒸汽介于產品中間有頤抖的表明都可以進行有效工作;使得更可靠和廣泛的適應性。
 
5.雷達物位計的安裝注意事項
(1)安裝雷達物位計時應避開進料口進料簾和漩渦因為液體在注入時會產生幅值比被測液位反射的有效回波大得多的虛假回波。同時漩渦引起的不規則液位會對微波信號產生散射從而引起有效信號的衰減所以應避開他們
(2)測量物位的場合宜垂直向下安裝。雷達的波束中心距容器壁的距離應大于由束射角、測量范圍計算出來的ZUI低料位處的波束半徑
(3)對于有攪拌器的容器雷達液位計的安裝位置不要在攪拌器附近因為攪拌時會產生不規則的漩渦它會造成雷達信號的衰減。同時攪拌器的葉片也會對微波信號造成虛假的回波特別是被測物體的相對介電常數較小和低液位時攪拌器所造成的影響更為嚴重
(4)當雷達液位計用于測量腐蝕性和易結晶的物體液位時為了防止介質對傳感器的影響制造廠一般都采用帶有聚四氟乙烯測量窗的分離法蘭式結構。應用這些部件的環境溫度不能太高聚四氟乙烯的ZUI高溫度為200攝氏度。為了避免高溫對雷達天線的影響也為了防止膜片上存在的結晶物影響儀表正常工作要求法蘭端面和ZUI高液位之間至少有100-800mm的安全距離
 
6.常見故障及處理方法
雷達物位計儀表提供二類故障:出錯(測量值不對)和警告;各有三種狀態:測量狀態、信號狀態和操作狀態。
測量狀態:主要是液位信號丟失;液位高/低;信號狀態:這樣是參考脈沖設置問題液位脈沖增益不對門檻設置不合適;操作狀態:參數設置超出給定的范圍。常見故障及處理方法見表2。