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从几个方面详谈低频脉冲雷达在实际工况中的应用

作者: 来源: 发布时间:2017-11-03 10:54:00

 0 引言

        低频脉冲雷达物位计是一种非接触式的雷达物位计,主要应用在对液体、固体上的物位测量。可应用在大部分的工况场合,通过雷达天线发射与接收脉冲能量,计算出准确距离。下面从几个方面详细介绍。
 
1 原理
        雷达物位计通过天线发射极窄的微波脉冲,以光速在空间中传播,碰到被测介质表面,反射回来的能量被同一天线接收[1] 。发射与接收脉冲的时间与天线到被测介质表面的距离成正比,从而计算出正确的距离[2] 。
 
2 特点
        低频雷达物位计主要指 6G Hz 左右,C 波段频率,其天线形式主要以介电棒式和锥形喇叭天线为主[3] 。棒式天线:一般常见产品直径 45mm ~ 50mm 左右,高度 300mm ~ 500mm,多以聚丙烯(PP)和聚四氟乙烯(PTFE)为棒式天线材料,一般多应用在液体物位上测量。聚丙烯材质的棒式天线适用一般工况测量,聚四氟乙烯的棒式天线适用一些带有腐蚀介质的测量,如:酸类、碱类。受到天线材质的限制,棒式天线耐温不高,所以适用的工况也是一些温度较低的场合。
 
        锥 形 喇 叭 天 线: 一 般 常 见 产 品 尺 寸Φ50mm ~ Φ250mm,多以不锈钢 316L 为天线材料,或有内衬 PTFE 形式。常见的不锈钢天线适用一般工况测量,其中包括固体、液体[3] 。如有温度较高或带压力的工况,可通过增加产品配置来满足工况的测量要求,每个品牌的产品参数不一,所以在耐温耐压上也会有高低之分。
 
3 安装
        雷达天线在发射微波脉冲时,都会有一定的发射角度,从天线下缘到被测介质表面之间,由发射的微波波束所辐射的区域内,不得有障碍物。因此,安装时要尽量避开罐内设施,如:人梯、加热设备、支架、横梁等障碍物。为了保证测量信号的准确性,安装位置要与罐壁保持500mm。锥形喇叭天线要探出安装接管,保证天线要超过安装接管,如果不能满足可通过天线延长管来满足。安装示意图和加装天线延长管如图 1 所示。安装位置的选择,如图 2 所示。
雷达物位计安装示意图和加装天线延长管安装示意图一
图中:
① 号位置,天线应与被测介质表面垂直。
② 号位置,仪表被安装在拱形或圆形罐顶,会造成多次反射回波,在安装时要避免。
③ 号位置,安装正确。
安装示意图二
图中:
①号位置,将仪表安装在入料口上方,会在入料时严重影响测量结果,所以应避开入料口,选装到②号位置
 
        导波管安装:一些特殊工况,也可以通过导波管或旁通管安装测量,通常导波管或旁通管是 Φ40 ~ Φ150 的金属测量管,上下需要开等压孔,一般孔径5mm~10mm左右。也可以在导波管上按照固定间隔打孔,一些特殊工况的导波管尺寸会更大,也可以正常测量使用。如安装大长度的导波管,必须防止大的裂缝和焊缝,保持导波管垂直对接。
导波管安装示意图
        小直径的导波管安装,可以不用锥形喇叭,直接通过 PTFE锥形装置发射雷达波到导波管内进行测量。导波管安装示意图如图 4 所示。
 
        导波管测量的优势在于管内液面平稳,不受外界波动干扰,免除容器内的障碍物干扰,减少泡沫和空气涡流对测量的影响,起到增加信号反射强度的作用[3] 。塑料管做导波管时,可避免雷达物位计安装在拱顶罐中心处所产生的多次反射现象,当测量的液体是强酸或强碱时,导波管需要选用 PP 材质或 PTFE 材质。
 
4 定制
        在上面介绍的常规产品后,关于锥形喇叭天线也可在一些特殊、极端的工况进行特殊定制,来满足测量。如:弯管形式。
此种形式是通过定制延长管来满足,在某些工况不能满足顶部安装或特殊安装方式,可以用 90°弯曲的延长管来满足。也可通过多次弯曲延长管开料仓的固定干扰,如:横梁、支架等。延长管要选与喇叭天线接口一致,光滑、无毛刺的不锈钢管。弯管式低频雷达物位计示意图如图 5 所示。
弯管式低频雷达示意图
5 应用
        低频雷达物位计应用的场合非常广,无论是液体还是固体测量都能很好的满足。下面简单介绍几个工况应用。
5.1 化工的液位测量应用
        液位是化工生产中重要的检测仪表,在测量中存在以下几个难点。
某化工洗涤槽工况数据表
        1)因液体粘度大,导致接触式液位计无法使用,部分非接触式液位计受内部复杂的机械结构及工况影响测量效果不理想。
        2)液面波动大,带来跳动,影响自控联动准确性。
        3)通过联动控制加料比例,如液位测量不准确,会浪费原料,同时还会影响产品品质。
 
        综上所述,此类工况建议使用锥形天线式低频雷达物位计,天线尺寸满足现场的开孔要求。锥形喇叭天线低频雷达如图 6 所示。
锥形喇叭天线低频雷达
        罐内的一些固定障碍物,如:人梯、搅拌器等,可通过虚假回波处理掉,避开下料口安装。
        结晶影响,可以通过加装冲洗装置,进行定期冲洗,既减少拆装清理带来不必要的麻烦和损伤,还能减少结晶对雷达波反射的影响。
        蒸汽影响,仪表在实际工况的使用中,测量介质会伴随着大量蒸汽,经过实验证明,低频雷达波长较长(50mm左右),对蒸汽具有很好的穿透及抗干扰能力,不会对主回波信号造成很大影响。
        结论:锥形天线式低频雷达物位计,可以很好的测量上述类似的工况场合。
 
5.2 防腐测量
        在一些工况场合,经常会有一些带腐蚀性介质的测量,低频脉冲雷达物位计可选用 PTFE 材质的介电棒式或内衬 PTFE 式锥形喇叭天线,如果高温高压的工况,需要选用内衬 PTFE式锥形喇叭天线。下面重点介绍下内衬 PTFE 式锥形天线。如图7所示,从外观上看与传统的低频雷达有所不同,法兰由原来在仪表中部改到底部,做了结构上的调整,罐体与仪表之间的密封及对内衬 PTFE 材料固定。喇叭结构及尺寸上基本无大变化,一般采用的是Φ150~Φ200尺寸。
内衬 PTFE 式锥形喇叭天线雷达
        特点:波长比 26G 高频雷达要长,所以在一些液体高温工况、结露场合和化工反应釜内,水蒸气和凝水对低频雷达的影响比高频雷达要小。
        在各个行业,都会遇到腐蚀性液体的测量,会对 316L的天线进行腐蚀,经过多次的现场试用和反馈回的情况,工艺升级更改内衬 PTFE,工艺上更进一步的完善满足在各个行业的应用。
 
        某化工厂液位改造测量工况如下:
化工厂液位改造测量工况
        工况详解:此工况之前安装了一台 26G 棒式天线高频雷达液位计,使用一开始测量稳定,信号回馈也比较强。但随着罐内温度不断升高,蒸汽浓度加大,对雷达发射的雷达波信号干扰也逐步加大,信号可靠性不断降低,从一开始的 60db 降到 20db。把雷达液位计拆下,PTFE 天线外部挂满水珠,用布擦拭干净后,在其他位置测量信号正常。有此得出结论,影响雷达波信号的主因,是由蒸汽原因导致。
图8高频雷达回波曲线图和图 9 内衬 PTFE 式锥形喇叭天线 曲线图
        如图 8、9 所示为 26G 和低频雷达回波对比图。图 8 为高频雷达(26G);图9为低频雷达(内衬PTFE锥形天线)。从两台雷达的回波曲线图中,前后信号强度有明显变化,高频雷达信号很弱,已经接近包络线位置。低频雷达信号强度好,有效回波幅度大。此时罐内液位处于静止状态,如开启搅拌,会导致液面波动,回波信号强度对减弱,可靠性略微降低。如图 8 所示(高频雷达)波形本身信号可靠性已经很低,搅拌开启后,造成液面波动,信号可靠性再降低,导致信号丢失,无法测量实际液位。
 
        改造方案:更换内衬 PTFE 式锥形天线低频雷达,经过多天观察,信号反馈稳定,回波信号无衰减,如开启搅拌,液面波动的情况下,回波会有相对的衰减,但不会影响测量。
 
6 结束语
        经过上述研究,对蒸汽大,有腐蚀性的工况测量,首选推荐低频雷达。经过实验证明,蒸汽对低频雷达物位计造成的干扰是相对较小的,在配合内衬 PTFE 锥形天线,可以做到稳定测量腐蚀性液体。但无论是高频雷达、低频雷达或是导波雷达,每一种都有自己不可替代的作用,最终选型还是要依据实际的工况条件,这样才能够做到事半功倍的效果。从而,让自动化时代的产品更好地服务社会。
 
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