1.前言
雷達物位計是一種新型物位測量儀表,它採用與介質非接觸的測量方式,具有準確度高✘╃◕、測量範圍大✘╃◕、無可動部件✘╃◕、安裝簡單✘╃◕、使用可靠✘╃◕、不受溫度✘╃◕、壓力✘╃◕、蒸氣✘╃◕、氣霧和粉塵的限制,適用於各種高溫✘╃◕、高壓✘╃◕、強腐蝕的惡劣環境,在石油✘╃◕、化工冶金✘╃◕、水泥等行業得到廣泛應用☁₪•。尤其適用於大型貯罐✘╃◕、料倉的物位測量,它是透過天線向被測介質表面發射微波,然後測出微波發射和反射回來的執行時間,並經過智慧化訊號處理而得容器內物位的
一種儀表☁₪•。
上世紀80年代初脈衝雷達(TOF)物位計進入工業化應用,進入2000年後出現了更為先進的調頻連續波雷達(FMCW)和導波雷達(TDR),成為過程控制工業罐區物位監測的佳選儀表☁₪•。
2.雷達物位計的結構原理與分類
2.1脈衝雷達物位計
脈衝雷達物位計是採用行程時間或傳播時間TOF(time of flight)測量原理,又稱回波測距原理☁₪•。它是利用相同頻率的微波,在空間中的傳播時間來進行度量的一種方法☁₪•。微波在訊號源與被測物件之間傳遞,微波到達被測物件後被反射並返回到探頭上被接收,屬於非接觸測距,其頻率一般低於7GHz☁₪•。
天線發射器向距離為D的被測物料發射微波,微波來回所經過的時間用T表示,可得到距離D與時間T的關係為:
D=CT/2 ①
公式①中:D-天線到被測介質的距離,m;C-電磁波的傳播速度,c=3×10的8次方m/s;T-探頭從發射電磁波至接收到反射電磁波的時間,s☁₪•。脈衝雷達物位計的測量方法正是利用①中距離D與時間T的關係求得距離D的☁₪•。由於微波傳播速度C為常數,保持不變☁₪•。只要測得雷達探頭天線發出的微波到達被測物件後被反射回探頭天線的時間T,就可得到距離D☁₪•。
2.2調頻連續波雷達物位計
調頻連續波(FMCW)雷達的原理為傳送具有一定頻寬✘╃◕、頻率線性變化的連續訊號,再對接收到的連續訊號進行快速傅立葉變換,透過傳送與接收訊號的頻率差來計算兩個訊號的時間差,zui後與脈衝波雷達物位計一樣,由時間差得到對應的距離值☁₪•。FMCW雷達能夠獲取很高的精度,其精度主要取決於壓控振盪器的線性度和溫漂,FMCW雷達透過發射頻率調製的連續波訊號,從回波訊號中提取目標距離資訊☁₪•。FMCW分為線性調頻和非線性調頻(如正弦波調頻)兩種使用非線性調頻方式時,每個目標產生的差拍頻率不唯一,一般只適用於單目標的場合,如雷達高度計等;線性調頻方式適合於用FFT演算法測量頻率,應用廣☁₪•。這種方式使每個目標產生的差拍訊號都是單一頻率,但其對線性調頻的線性度要求很高,比較常用的調製波形是三角波和鋸齒波,物位儀表常用鋸齒波高頻方式☁₪•。FMCW雷達發射和接收訊號的原理如圖1所示☁₪•。
圖1中,實線為雷達天線傳送訊號ft,虛線為雷達接收訊號fr,B為訊號的頻寬☁₪•。發射訊號的調頻週期T要遠大於目標zui大回波時延td,即訊號由天線傳送經物料反射,再由天線接收所經的時間td比訊號期T要小得多☁₪•。傳送訊號和接收訊號由於時延引起頻率的變換它們的頻率差就是差頻訊號,可用fif表示☁₪•。顯然差額訊號fif的大小正比於天線與目標間的距離R,即:
R=Ct/2b*fif ②
公式②中:c-光速,3×10的8次方m/s;T-訊號週期,B為訊號頻寬,均為已知引數☁₪•。獲得差頻訊號f的值zui簡單的方法是利用傅立葉變換方法,透過頻譜分析求得☁₪•。
與脈衝雷達相比,調頻連續波方式測量線路較複雜,從而測量精確度較高,同時干擾回波也較易去除,一般用於較高階的測量方案☁₪•。
FMCW雷達發射的是連續波比脈衝雷達的(峰值)功率小很多☁₪•。發射功率小具有以下優點:
①電源電壓大大降低,這對於用於油艙內液位測量系統的安全性非常重要;②發射系統便於用固態器件實現,從而使得發射系統尺寸大大減小,可靠性提高;③FMCW雷達極寬的訊號頻寬使其具有很高的距離解析度和距離測量精度,以及較強的抗干擾性☁₪•。
2.3導波雷達物位計
導波雷達物位計是一種微波物位計,根據測量能量波運動過程的時間差來確定物位變化的情況☁₪•。由電子裝置對微波訊號進行處理,zui終轉化成與物
位相關的電訊號☁₪•。這裡的能量波是脈衝能量波,能量輻射水平低(頻率一般比智慧雷達物位計低)☁₪•。導波雷達物位計是依據時域反射原理(TDR)為基礎的雷達物位計,微波發生器產生的電磁脈衝以光速沿鋼纜或探棒傳播,當遇到被測介質表面時,波導體與被測介質(液體或固體)表面接觸時,由於波導體在氣體中和被測介質中的導電效能大不相同,這種波導體導電性的改變使波導體的阻抗發生聚燃變化,從而產生一個物位反射原始脈衝,並沿相同路經返回到脈衝發射裝置,發射裝置與被測介質表面的距離同脈衝在其間的傳播時間成正比,經計算得出介質高度☁₪•。另外,高導電性介質(例如水等)液位產生較強的反射脈衝,而低導電性介質(如烴類)產生反射較弱,低導電性介質使得某些電磁波能沿著探頭(波導體)穿過液麵繼續向下傳播,直至完全消散或被一種較高導電性的介質反射回來,這就使我們有可能採用雷達物(液)位計測量兩種液體的介面(如油/水介面)等☁₪•。
2.4特性分類
2.4.1按發射雷達波的頻率分:可分為高頻雷達和低頻雷達☁₪•。高頻雷達發射的24GHz A26GHz 高頻微波,根據波的特性:速度=波長ⅹ頻率,我們可以得知24GHz 的微波其波長較5.8GHz頻段的雷達波的波長要短的多☁₪•。一般的講,固體料面的形狀是傾斜而且粗糙的,較小的波長可以保證發射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達探頭☁₪•。因而高頻雷達主要應用於固體介質和大量程場合的測量☁₪•。低頻雷達發射微波頻率在5.8~6.3GHz,主要應用於液體介質和小量程場合的測量☁₪•。
2.4.2按天線的形式分:可分為普通雷達和導波雷達☁₪•。普通雷達發射的微波透過空間傳播;導波雷達則是透過波導體傳導來發射和接收電磁波
3.技術特點
雷達物位計的電磁波發射形式雖然各異,產品結構也有所不同,但它們都有共同的技術優勢和特點☁₪•。
(1)雷達物位計測量時發射的電磁波能夠穿透真空,不需要傳輸媒介,具有不受大氣✘╃◕、霧氣✘╃◕、泡沫✘╃◕、粉塵影響的特點☁₪•。
(2)雷達物位變送器採用一體化設計結構,無可動部件,不存在機械磨損,執行穩定,使用壽命長☁₪•。
(3)測量準確度高,解析度可達1mm;測量範圍大,zui大測量範圍可達120m,所以特別適用於高大貯罐的物位測量☁₪•。
(4)雷達物位計發射的電磁波在被測介質表面反射時,訊號會衰減,介質的導電性越好或介電常數越大,反射訊號越強☁₪•。但在實際應用中,幾乎所有的介質都能反射足夠的反射波☁₪•。因此,它幾乎能用於所有液體的液位測量,同時也適用於測量固體顆粒✘╃◕、粉末的物位,適用範圍特別廣☁₪•。
(5)採用非接觸式測量,不受被測介質各種物理特性的影響,特別是在溫度較高✘╃◕、壓力較高和蒸汽較大的場合更能發揮其優越性☁₪•。
(6)標定簡單,測量響應快,雷達物位計具有故障報警及自診斷功能☁₪•。
4.選型原則
雷達物位計由於測量精度高✘╃◕、耐高溫✘╃◕、高壓的能力強,以及採用非接觸的測量方式,成為過程控制物位監測的首選儀表,是近年逐步在現場應用的先進測量技術☁₪•。但在使用過程中也暴露出一些問題,主要是設計選型失誤☁₪•。由於種類和品牌較多,如果在設計階段不能結合工況條件選擇適宜的產品,就可能造成雷達物位計無法正常使用☁₪•。在選用物位儀表時,應區別不同介質工作條件及過程要求,選用成本低✘╃◕、精度高✘╃◕、價格適中效能可靠的測量儀表☁₪•。
4.1介電常數的選擇
首先要確定被測介質的介電常數☁₪•。雷達物位計是基於發射-反射-接受的過程來實現物位測量的☁₪•。因此被測介質對雷達波的反射率是必須考慮的,而介質對雷達波的反射率跟介質的介電常數成正比☁₪•。目前,主流雷達物位計要求的zui低介電常數約為15,介電常數低於1.5的介質不應選用雷達物位計☁₪•。對於一些剛過臨界點的介質比如一些液化石油氣的介電常數約為1.6左右,這種臨界情況下,如果選用非接觸式雷達物位計,一般採用增加一根導波管的方案,增強雷達波回波訊號,即可滿足測量要求☁₪•。低介電常數和變介電常數的被測介質,優選導波雷達☁₪•。低介電常數液體介質反射訊號弱,訊號衰減嚴重,物位波動和泡沫散射引起訊號減弱,罐內障礙物反射引起虛假訊號,為此就需要發射較強的電磁波訊號,並採用功能強的微處理器進行復雜的訊號處理☁₪•。
這就使得常規交流供電雷達物位計價格非常昂貴,但仍難以較好的解決在上述條件下的物位測量問題☁₪•。導波雷達和常規雷達一樣,採用傳輸時間來測量介質物位,訊號自烴類[介電常數2~3]液體表面或自水[介電常數80]面反射回傳的時間一樣的,不同的只是訊號幅度(強度)的差別☁₪•。普通雷達必須考慮介質的影響,比較難辯識返回的各種訊號,從雜散訊號中檢出真正的物位訊號,而導波雷達僅需測量電磁波的傳輸時間即可,無需訊號的處理和辨別☁₪•。電磁波可以穿透空間蒸汽✘╃◕、粉塵等干擾源,遇到障礙物易於被反射,被測介質導電性越好或介電常數越大,回波訊號的反射效果越好☁₪•。
4.2量程的合理選擇
在選用雷達物位計時,往往有一種錯誤看法,認為選用的量程只要大於槽罐的高度就行☁₪•。事實上,雷達物位計上標識的量程可能是它的zui大量程,選型時還要看容器的特性,如貯罐表面平穩還是有波紋,甚至有攪拌☁₪•。同一型號的雷達料位計在不同情況下所能測量的實際料位有很大差別☁₪•。E+h司的FMR-231E雷達,量程是20m,只是表面平穩液體可以測量20m,如用在無攪拌有波紋的緩衝罐上,就只能測量10m☁₪•。用其測量十幾米的帶有攪拌的料位時,經常測量不到低料位,這實際是選型量程不夠,增加量程後問題得到解決☁₪•。
4.3各種被測介質的不同選擇
4.3.1測量液體物位的選型
對於液麵相對平穩的罐體,且被測液體的介電常數較高,可以選擇普通雷達物位計☁₪•。對於液麵波動大✘╃◕、或帶有攪拌的罐體,或被測液體的介電常數較低,應優選導波雷達☁₪•。因為導波管對液麵有整型作用,且導波雷達的微波反射不易受環境條件變化的影響☁₪•。被測液體的介電常數和密度變化對測量結果沒有影響☁₪•。對於粘度≤500cst且不易產生粘附的介質,管式探頭是zui佳方案,可用於介電常數大於等於14的任何介質,測量與介質的導電性無關,罐內障礙物及短管尺寸不影響測量,比杆式探頭能承受的橫向壓力高☁₪•。對於高粘度的介質,被測液體的粘度≥500cst,且液體粘附性較強的情況,不能選擇導波管方式測量,因為粘附和結晶會堵死導波管,從而形成虛假物位,可以選擇導波杆方式來測量☁₪•。介質在探頭上的塗汙對測量物位的影響可分為兩種:膜狀塗汙和橋接☁₪•。膜狀塗汙是在物位降低時,高粘液體或輕油漿在探頭上形成的一種覆蓋層,由於這種塗汙在探頭上塗層均勻,因此對測量基本無影響;但橋接性塗汙的形成卻能導致明顯的測量誤差當塊狀或條狀介質汙垢粘結于波導體上或橋接於兩個波導體之間時,就會在該點測得虛假物位☁₪•。
由於液麵波動和隨機噪聲等因素的影響,檢測訊號中必然混有大量噪聲,為了提高檢測的準確度必須對檢測訊號進行處理,儘可能消除噪聲☁₪•。
對於有泡沫的液位測量:進料飛濺引起的泡沫或介質中混雜的泡沫對雷達波的反射沒有影響☁₪•。對一些泡沫較少的介質,選用SaabTankRadar PRo,在介質選項中選介質泡沫,可以對有泡沫的液位進行較準確的測量☁₪•。但劇烈化學反應產生的大量厚重的泡沫會吸收和散射雷達波,回波質量很差☁₪•。酒鋼選礦廠二浮選槽液位,由於槽內劇烈的化學反應產生大約lm多厚的泡沫,採用包括sieMeNS 司高頻的APEX 等多種雷達,都不能解決這一問題☁₪•。
對於帶有蒸汽的液位測量:實際應用中常常遇到蒸汽很大的液位測量問題,如酒鋼焦化廠鼓風冷凝液槽,安裝後一直很正常,測量也比較準確,但是使用一週多後,開始出現失波現象,檢查不出任何問題,重新安裝又恢復正常☁₪•。這樣反覆多次,都不能解決問題☁₪•。理論上說蒸汽對雷達不會有任何干擾,這正是它的優點☁₪•。透過分析認為形成干擾的不是蒸汽,而是凝結在發射天線上的冷凝水☁₪•。改用棒式天線,冷凝水順天線流掉問題得到解決☁₪•。增加吹掃裝置也可以解決這一問題☁₪•。
由於固態物料(如沙石✘╃◕、煤炭等)的料面都有一定的安息角,固態料面的測量基本上是利用雷達波在粗糙表面的漫反射☁₪•。微波在粗糙的固態表面(包括顆粒狀物料表面)上的反射狀況與微波波長表面粗糙度(顆粒狀物料的粒徑)有關☁₪•。當表面粗糙度與微波波長接近或大於波長時,微波會產生漫反射,類似光波在毛玻璃上的反射☁₪•。
由於漫反射的作用,微波的大部分能量都散射了,返回的只是一小部分能量☁₪•。經常會因此導致失波的現象,故測量固態料面時,會選擇比測量同樣距離的液麵發射更強(大一倍或更大量程)的微波能量☁₪•。漫反射的強度與物料大小成正比,與波長成反比,形成漫反射的條件近似於:固體顆粒直徑>1/6波長☁₪•。波長λ與頻率f的關係為:
c=λf ③
公式③中:c-電磁波的傳播速度c=3×10的8次方m/s;λ-雷達波的波長, mm;f-雷達波的頻率,GHz☁₪•。
透過公式③可以算出採用K波段頻率為26GHz的雷達物位計時,其波長約為8.6mm,對顆粒直徑為2mm以上的物料都可形成良好的漫反射;而當c為光速3×10的8次方m/s,採用X波段頻率為6.3GHz的雷達物位計時,由式③可得波長約為52mm,對於粒徑較小的顆粒狀物位,漫反射效果差,回波訊號干擾嚴重☁₪•。為改善雷達物位計測量效能,可提高發射訊號的頻率,雷達物位計在測量散裝料位時,大部份散裝料直徑遠遠小於50mm,這就是目前26GHz雷達是測量散裝料物位zui佳選擇的原因☁₪•。
對於粉狀物料,特別是氣動傳輸的粉狀物料的測量:雖然理論上粉塵對雷達沒有影響,但大量粉塵也能產生散射,影響回波,可以選擇纜式導波雷達☁₪•。由於微波在鋼纜中傳輸,物料在輸送過程中產生的粉塵對測量沒有影響☁₪•。閃速爐的精礦✘╃◕、石英✘╃◕、粉煤可採用E+H公司的FMP40系列的纜式導波雷達,測量效果良好☁₪•。
對於顆粒狀或塊狀物料的測量:導波雷達的導波纜繩又容易被堅硬的物料損壞,在石灰石倉料位測量就遇到這樣的問題,須選用高頻雷達物位計,而且微波的發射角愈小愈好,因為微波的頻率越高,微波的波長越短,保證發射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達探頭,發射角愈小,形成雜波和漫發射的機率就越小☁₪•。採用SIEMENS司的高頻LR400雷達由於其發射角小,回波訊號好,採用連續調頻技術,抗干擾能力大大提高,固態甚至氣動傳輸的粉料也得到準確測量☁₪•。
4.4雷達天線選擇
4.4.1棒式天線
絕緣棒天線通常用聚四氟乙烯✘╃◕、聚丙烯等高分子材料製成,耐腐蝕效能較好,可用於強酸✘╃◕、鹼等介質☁₪•。但微波發射角較大(約30°),並且邊瓣較多,對於罐內結構較複雜的情況,干擾回波會較多,信噪比小,精度較低☁₪•。但易於清洗,常用於測量執行條件較好✘╃◕、口徑較大✘╃◕、測量範圍小的槽罐和腐蝕性介質☁₪•。如果被測介質易揮發冷凝,zui好選擇棒形天線或水滴型天線;如E+H公司生產的FMR231型雷達,適合於測量腐蝕性介質,工作壓力可達16MPa,被測介質溫度可達200℃☁₪•。
4.4.2喇叭口天線
錐形喇叭天線的發射角與喇叭直徑及頻率見表1☁₪•。
在同頻率下,喇叭直徑越大,發射角越小,如果是高頻雷達料位計,發射角就更小,準確度更高☁₪•。如 SIEMENS 司的APEX T雷達,測量精度可達±1mm☁₪•。許多緩衝罐✘╃◕、儲罐✘╃◕、反應罐等都選用這類天線,但這類天線不適用於腐蝕性介質的測量☁₪•。大多數經濟型雷達都採用5.8GHz或6.3GHz的微波頻率,其發射角較大,容易在容器壁或內部構件上產生干擾回波☁₪•。雖然喇叭天線增大可以減小發射角,但體積增大,安裝不便,而且改善有限☁₪•。採用高頻率的雷達,如SIEMENS 司的LR400(24GHz)✘╃◕、Vega 司的Ⅴega Plus68(26GHz),發射角可以到8°,這樣即使在測量狹長的料罐物位時,也能有較高的測量
精度☁₪•。如果用於大量程的測量場所選大喇叭口天線雷達物位計,小的喇叭天線則適用於小型容器☁₪•。如果被測介質流動性較差並有掛料現象,那麼選擇喇叭或棒狀雷達物位計☁₪•。
4.4.3拋物面天線
這是推出的新型天線,多用在高頻發射的雷達,由於其發射角只有7°,非常適合測量精確目標和饒過障礙物進行測量☁₪•。但其天線尺寸大,如果用Ⅹ波段,直徑達Φ454mm,開孔尺寸要大於500mm,安裝使用不太方便☁₪•。
4.4.4平面天線
平面天線採用平面陣列技術,即多點發射源與單點發射源相比,由於測量其於一個平面,而不是一個確定的點,配合相應電子線路,可使雷達物位計的測量精度達±1mm,可用於儲罐精密計量,主要用於計量級雷達物位計☁₪•。平面天線適用於多種工況☁₪•。
4.4.5套管天線
當介電常數較小(1.6~3)或液麵產生持續渦流或容器內裝置造成假反射時,應選這類儀表☁₪•。套管對雷達波有聚焦作用,天線裝在導波管中或旁路管中☁₪•。套管內徑大小對雷達波傳播時間產生影響,所以在引數設定時,應設定套管內徑引數,對行程內時間進行補償☁₪•。另外,這類天線要求被測介質流動性好,不易掛料☁₪•。如果被測容器帶有攪拌葉槳,並且葉槳的旋轉半徑幾乎和罐的直徑相等,那麼雷達液位計的回波將會受到嚴重干擾這時選用導波管式雷達液位計☁₪•。
4.4.6導波雷達天線
透過導波金屬或纜繩收發電磁波,屬接觸測量☁₪•。由於它對粉塵✘╃◕、蒸汽✘╃◕、導波杆上粘附介質等影響較小,所以更廣泛地應用在固體料位和介電常數很小的液位測量☁₪•。雙纜式導波雷達液位計是採用測量電容的變化來測量液麵的高低的,兩電極間的介質即為液體及其上面的氣體,適用於具有腐蝕性和高壓的介質的液位測量,根本上解決溫度✘╃◕、溼度✘╃◕、壓力✘╃◕、物質的導電性等因素對測量過程的影響,因而具有很高的抗干擾性和可靠性同軸管式雷達液位計加裝同軸管式探頭的導波雷達物位計,應用於介電常數較低的或表面波動液體的液位測量和控制;如果被測物料的介電常數太低,一般型別的雷達物位計都不適合☁₪•。
5.結束語
雷達物位計由於是一種非接觸式物位測量儀表,優點較多,近幾年來發展飛快,國內外不同廠家不斷推陳出新,產品琳琅滿目,給不少客戶在選型問題上帶來了困難☁₪•。本文透過對如何選型的介紹,為使用者提供多方面的參考依據,能夠有效解決選型失誤問題,使雷達物位計能夠有效運用在不同領域✘╃◕、不同工況上☁₪•。