渾源雷達(dá)物位計(jì)在粒堿料位測量的應(yīng)用

隨著化工生產(chǎn)的自動(dòng)化程度的提高控制系統(tǒng)現(xiàn)場儀表的應(yīng)用越來越廣泛。儀表進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期新型儀表不斷出現(xiàn)。雷達(dá)液位計(jì)就是近年開始應(yīng)用的新型測量儀表在石油、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，適用于各種高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的惡劣環(huán)境。

某公司的10萬噸年粒堿系統(tǒng)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(chǎn)品的一種放置在空氣中會(huì)吸收空氣中的水分發(fā)生潮解與二氧化碳反應(yīng)發(fā)生變質(zhì)并且在堆積的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的堿塵另外粒堿具有較強(qiáng)的腐蝕性。根據(jù)粒堿的以上物理特性經(jīng)過多方考證和咨詢，公司決定使用雷達(dá)物位計(jì)來對(duì)粒堿料倉的料位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此雷達(dá)物位計(jì)大量増加了智能化設(shè)計(jì)與市場中的大多數(shù)產(chǎn)品相比具有許多明顯優(yōu)點(diǎn)例如:全范圍的智能化處理、更強(qiáng)的信號(hào)與干擾信號(hào)辨別能力、小信號(hào)自動(dòng)增益的處理能力;通過雙端口技術(shù)、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(yùn)行時(shí)間;具備多種過程連接件、材質(zhì)、天線和高低頻率型號(hào)在應(yīng)用方面提供高靈活性;可以用于容器中有干擾物體介質(zhì)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(zhì)密度、溫度、壓力及其介質(zhì)腐蝕性等工藝條件的影響從而該產(chǎn)品有廣泛的適應(yīng)性和高穩(wěn)定性。

1.雷達(dá)物位計(jì)工作原理

雷達(dá)工作頻段為24G-26GHz(K段)是一種調(diào)連續(xù)波(FMCV)原理的非接觸式雷達(dá)FMCW雷達(dá)采用了高頻電磁波信號(hào)(24G-26GHz)進(jìn)行測量內(nèi)部電路在2CHz(24G-26GHz)范圍進(jìn)行掃頻(線性遞增)生成頻率與距離的關(guān)系在距離為1米時(shí)顏率差有300Hz左右1毫米時(shí)有0.3Hz;如果以時(shí)間為基準(zhǔn)1米距離的時(shí)間差只有3.3納秒,1毫米時(shí)為3.3皮秒所以無法以時(shí)間為基準(zhǔn)但通過對(duì)頻率差的處理(傅里葉變換),可以得到不同發(fā)射物質(zhì)(距離)的頻譜由罐高減去此距離就可以得到液位和相關(guān)的參數(shù)。問題是雷達(dá)的發(fā)射能量有限(環(huán)境污染)和在介質(zhì)空間中很容易被吸收同時(shí)在發(fā)射路徑中遇到任何物質(zhì)都會(huì)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(jīng)過相當(dāng)時(shí)間摸索和運(yùn)用案例總結(jié)后，積累了許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)在軟件和硬件做了許多調(diào)整和修改后在抗千擾等方面具備了很好的技術(shù)和先進(jìn)特點(diǎn)。

2.空譜測量技術(shù)

24GHz頻率調(diào)制連續(xù)波是以2GHz頻率為單位的連續(xù)掃頻通過不同規(guī)格的天線向外發(fā)射由于頻率的提高帶寬加大使得同等發(fā)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(shí)會(huì)帶來更多的反射(周圍的所有物品都會(huì)引起反射)在大量的干擾中無法確認(rèn)有效的信號(hào)。雷達(dá)中使用了空頻譜分析技術(shù)在初始設(shè)置時(shí),可以對(duì)空罐(或者部分空罐時(shí))進(jìn)行頻譜分析將干擾源

或固定不移動(dòng)(変化)的物體進(jìn)行頻譜記錄相當(dāng)于先記錄各種干擾源的頻譜;在進(jìn)行正常測量時(shí)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(jié)合空頻譜進(jìn)行相關(guān)分析生成相關(guān)譜將固定干擾從測量信號(hào)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(duì)現(xiàn)場工況的適應(yīng)能力?？梢詰?yīng)用于有攪拌、晃動(dòng)或罐內(nèi)有管道等障礙物的情況是許多同類產(chǎn)品所不具備的。

3.雷達(dá)物位計(jì)在粒堿料位測量中的實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過4年多的使用，公司粒堿料倉使用的雷達(dá)料位計(jì)運(yùn)行情況相當(dāng)穩(wěn)定,且指示準(zhǔn)確既節(jié)省了儀表維護(hù)費(fèi)用又有效保障了設(shè)備和人生安全提升了物位指示的準(zhǔn)確性保障了工藝正常生產(chǎn)。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

下料口位于設(shè)備的一側(cè)將雷達(dá)液位計(jì)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(shè)置為測量死區(qū),將其不作為料位的測量數(shù)值這樣固體堿在料倉的一側(cè)會(huì)不斷堆積當(dāng)料堆積到一定程度時(shí)就會(huì)大量的向另一側(cè)塌方,料位也會(huì)突然地大幅度變化。由于雷達(dá)物位計(jì)是工作頻段為24G-26GHz的一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)原理的非接觸式雷達(dá)它以2GHz頻率為單位的連續(xù)掃描通過天線向外發(fā)射由于頻率的提高帶寬加大使得同等發(fā)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(shí)會(huì)帶來更多的反射以上粒堿料倉中料位的不規(guī)則變化性都會(huì)引起反射，雷達(dá)物位計(jì)使用了空頻譜分析技術(shù)在初始設(shè)置時(shí)對(duì)料倉進(jìn)行頻譜分析將各種干擾源或變化的物體進(jìn)行頻譜記錄相當(dāng)于先記錄干擾源的頻譜在進(jìn)行正常測量時(shí)將包括干擾源和被測物位的頻譜全部檢測出來然后結(jié)合空頻譜進(jìn)行相關(guān)分析,生成相關(guān)譜將固定

干擾從測量信號(hào)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(duì)現(xiàn)場工況的適應(yīng)能力,可以應(yīng)用于以上料位不規(guī)則變化的工況這是許多同類產(chǎn)品所不具備的。

4.雷達(dá)物位計(jì)儀表特點(diǎn)

4.1全中文顯示界面

a,中文觸摸屏人機(jī)界面,160x160點(diǎn)陣9行字符8層灰度方便現(xiàn)場調(diào)試安裝;

b.表頭現(xiàn)場顯示有多種內(nèi)容(液位、距離、體積、百分比等)可供選擇;同時(shí)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(yùn)行參數(shù)、各層的組態(tài)的參數(shù)、在線幫助和故障出錯(cuò)提示全部為中文界面

d.故障/測量錯(cuò)誤中文列表:如遇到測量出錯(cuò)或者參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤在屏幕上將會(huì)出現(xiàn)中文的在線錯(cuò)誤提示會(huì)顯示出錯(cuò)原因和時(shí)間對(duì)于現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)量、界面等中,可以任意選擇其中2項(xiàng)同時(shí)輸出不需要通過信號(hào)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(wǎng)的噪音和干攏

4.3外殼

a.外部結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)按照隔爆要求設(shè)計(jì),無需特

b.擁有電源部分和電子模塊部分相互獨(dú)立的雙腔式結(jié)構(gòu)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(guī)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(zhì)的需要

C.發(fā)射角度比一般產(chǎn)品要小:2.5(DN100,單邊)5°(DN8O)10(DN50)和15°(DN40),米時(shí)的反射半徑只有130毫米(DN80)

d.天線的材料可以是3161(標(biāo)準(zhǔn))或者哈氏合金(可選)

4.5低介電常數(shù)的測量

a,由于雷達(dá)的反射率沒有導(dǎo)波雷達(dá)強(qiáng)通常產(chǎn)品不能測量介電常數(shù)比較小(<=1.5)的介質(zhì)對(duì)于這類產(chǎn)品往往干擾信號(hào)回波的幅值要比物位的回波幅值要大所以罐底跟蹤技術(shù)就很重要。

b.直接測量可以達(dá)到1.5(介電常數(shù))罐底跟蹤模式可測量到1.1介質(zhì)幾乎大多數(shù)介質(zhì)物位都可以測量(總體講比導(dǎo)波雷達(dá)效果要差);

c.被測量介質(zhì)的溫度、壓力、密度、粘度等對(duì)測量沒有影響只與介電常數(shù)相對(duì)值有關(guān);

4.6獨(dú)特的空頻譜設(shè)置

功率譜和空頻譜，功率譜:雷達(dá)接收到的所有回波的頻譜;空頻譜:對(duì)罐內(nèi)不變化(移動(dòng))的固定的干擾信號(hào)進(jìn)行的頻譜分析;相關(guān)譜經(jīng)過二個(gè)譜互相關(guān)計(jì)算后,去除各種已經(jīng)紀(jì)錄的干擾信號(hào)進(jìn)而得到真實(shí)的液/物位;使用該技術(shù)后對(duì)于容器中有干擾物體有泡沫有蒸汽介于產(chǎn)品中間有頤抖的表明都可以進(jìn)行有效工作;使得更可靠和廣泛的適應(yīng)性。

5.雷達(dá)物位計(jì)的安裝注意事項(xiàng)

(1)安裝雷達(dá)物位計(jì)時(shí)應(yīng)避開進(jìn)料口進(jìn)料簾和漩渦因?yàn)橐后w在注入時(shí)會(huì)產(chǎn)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(shí)漩渦引起的不規(guī)則液位會(huì)對(duì)微波信號(hào)產(chǎn)生散射從而引起有效信號(hào)的衰減所以應(yīng)避開他們

(2)測量物位的場合宜垂直向下安裝。雷達(dá)的波束中心距容器壁的距離應(yīng)大于由束射角、測量范圍計(jì)算出來的ZUI低料位處的波束半徑

(3)對(duì)于有攪拌器的容器雷達(dá)液位計(jì)的安裝位置不要在攪拌器附近因?yàn)閿嚢钑r(shí)會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的漩渦它會(huì)造成雷達(dá)信號(hào)的衰減。同時(shí)攪拌器的葉片也會(huì)對(duì)微波信號(hào)造成虛假的回波特別是被測物體的相對(duì)介電常數(shù)較小和低液位時(shí)攪拌器所造成的影響更為嚴(yán)重

(4)當(dāng)雷達(dá)液位計(jì)用于測量腐蝕性和易結(jié)晶的物體液位時(shí)為了防止介質(zhì)對(duì)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(jié)構(gòu)。應(yīng)用這些部件的環(huán)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(duì)雷達(dá)天線的影響也為了防止膜片上存在的結(jié)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(dá)物位計(jì)儀表提供二類故障:出錯(cuò)(測量值不對(duì))和警告;各有三種狀態(tài):測量狀態(tài)、信號(hào)狀態(tài)和操作狀態(tài)。

測量狀態(tài):主要是液位信號(hào)丟失;液位高/低；信號(hào)狀態(tài):這樣是參考脈沖設(shè)置問題液位脈沖增益不對(duì)門檻設(shè)置不合適；操作狀態(tài):參數(shù)設(shè)置超出給定的范圍。