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导波雷达物位计:在恶劣条件下应对水平探测的挑战

作者: 来源: 发布时间:2019-02-23 09:22:37

    在测量散装固体,液体以及介于两者之间的所有物质时,导波雷达物位计技术现在提供了比以往更多的液位检测功能。对于不断扩大的以前难以测量的产品,如熔融硫,液氨和石化产品,导波雷达物位计即使在恶劣的化学环境下,工作温度和压力的广泛变化以及低介电常数下也能提供精确的液位测量。在使这些单元更容易配置到各种过程应用以及将这些设备与大多数数字通信协议集成的简单性方面也取得了很大进展。
    快速检查导波技术如何与其他飞行时间技术(如通过无线电雷达和超声波)进行比较,并讨论应用指南 - 可以阐明这项新技术可为工程师带来的好处需要改进流程操作。

引导波技术
    由于导波雷达物位计没有移动部件,因此雷达已经在水平 测量中建立了一个占主导地位的利基,它可以快速地与机械装置保持距离,而机械装置在肮脏的服务中也不能保持。雷达通过测量传输信号的飞行时间来实现其非机械水平检测能力。
    更准确地称为时域反射计(TDR),该过程涉及将微波能量发送到容器中。当雷达能量脉冲到达产品(由阻抗变化表示)时,部分脉冲会反射回发射器。接收器测量发射信号和反射信号之间的准确持续时间 - “飞行时间”。设备会分析此时间并最终将产品级别显示为以英尺,米或其他工程单位为单位的距离。
    在水平测量方面,通过空中技术显然是雷达的先锋。然而,非接触(与待测产品)通过空中雷达的主要问题之一是虚假回波的高概率。简单地将导波雷达物位计指向筒仓的底部允许非制导波从船的侧面反弹,返回许多必须在接收端消除的发散信号。部分问题源于雷达波束的广泛分散,雷达波束以不断扩大的锥形形状从发射天线辐射出去。类似的问题也出现在超声波测量中,其中高达20度的发散角是常规的。
    随着导波雷达物位计的出现,现在已经克服了这些障碍。虽然从根本上依赖于在通风雷达中使用的相同的常规飞行时间技术,但是导波雷达更进一步,通过直接引入待测产品的“探头”来控制雷达波束的传播。通常,波导是特别设计的金属杆或电缆。由于导向器将雷达信号集中在沿探头的小直径(通常小于12英寸)的圆柱体内,因此它不会分散和反射不能代表产品水平的材料。这导致导波装置具有更高水平的性能和可靠性。此外,配置的简易性消除了浪费的时间,
    当满足工程师在正确确定存储和处理容器内的产品水平时所面临的现实挑战时,导波雷达物位计的优势显而易见。将导波雷达物位计与空中技术进行比较性能和可靠性结合其他参数,例如容器内壁的反射率和内部油箱障碍物(即管道,喷嘴,梯子等),通常需要使用笔记本电脑来配置通风仪器,以便准确读取产品水平。此外,非接触式雷达装置对工艺条件的变化非常敏感,例如产品堆积和冷凝。类似地,超声仍然高度受到罐状况和气相的影响,这会影响声速。如果未在接收器处正确设置,则可能导致读数变化和不准确。另一方面,导波雷达物位计背后的基本理论首先有助于防止虚假回波。因此,与通过空中设备相比,性能水平可以得到改善。

信号强度,以及它在提高 性能方面的作用
    乍一看,通过简单地增加导波雷达物位计信号的功率,似乎很容易增加信噪比(S / N)。然而,面对这一策略,飞行电子和传感器电路的功率非常有限,以便使用4-20 mA的工业标准模拟输出和回路供电的变送器。导波技术背后的一个基本优势是需要更少的能量,因为微波沿着波导集中。
    无引导雷达具有许多来自不同 表面的 返回信号,这些信号会影响精度,不像导向雷达只需要考虑一个信号反射。这允许 变送器更准确地测量。
    导波雷达物位计允许在最需要的地方集中能量,因此它比通过空中雷达的效率高20倍,后者在光束传播中丢失了大部分信号。因此,导波需要更少的功率。这反过来又有助于提高S / N比。
快速响应时间也可以提高性能
    环路供电的通风设备必须存储和积累能量以处理脉冲传输和信号处理。通过平均和信号处理,来自湍流或快速移动产品的返回信号可以轻松地移出被分析的窗口。此外,由于通风和超声波设备需要更多的信号调理来清除杂散信号,因此浪费了额外的时间。因此,不准确的读数会增加风险。通过空中雷达使用“模糊”逻辑为每个目标分配概率水平,并且所需的信号处理导致慢响应时间和多秒更新速率。另一方面,导波雷达物位计每秒最多可读取10个读数,产生几乎瞬时的响应。

克服介电障碍
    在具有低介电常数的产品中获得准确的读数对大多数雷达发射器提出了最大的挑战,因为获得反射信号变得越来越困难。雷达波部分地穿过非导电材料,如液体丙烷或丁烷,使得传统上难以获得准确的水平。
    在导波和通过空中雷达中,将信号从发射器传送到过程连接的同轴电缆通常具有50欧姆的阻抗。理想情况下,如果可以沿着雷达波束的整个行程长度保持相同的阻抗,则所有反射信号都会从产品中反弹。然而,实际上,当从同轴电缆变为空气时,发生大的阻抗变化,导致信号的大量损失。
    导波雷达物位计通过使用由不锈钢管保护的单个探头来回避测量低电介质的挑战,该探针的功能类似于围绕整个探头长度的小型同心屏蔽,从而使整个组件具有同轴结构。该管充当地平面以帮助引导能量。它沿整个波导保持恒定的阻抗。然后,同轴传感器可以检测到更微妙的介电变化,并正确地指示产品的水平。通过空中雷达也可以使用类似的管道布置来引导能量并测量较低的电介质。然而,对于throughair雷达而言,这种操作模式更容易积聚,并且非常依赖于管道配置和构造。
    引导式雷达物位计还允许特殊探头配置通过考虑能量在穿过产品时的速度变化来执行间接测量。以这种方式,可以在其他方法过去失败的应用中测量非常低的介电产品,通常低至1.3。

测量长跨度(距离)
    现代雷达发射器现在能够测量非常高的筒仓和坦克的水平。一些导波雷达物位计设计用于覆盖200英尺以上的距离。 通常,在如此宽的范围内获得高分辨率读数是极其困难的,特别是考虑到雷达波以大约每英尺1英尺的速度行进。例如,一个100英尺的筒仓可能只包含四英尺的产品。这意味着反射波返回发射器的时间差仅比坦克空的时间快8纳秒。要获得此类电平的四分之一英寸精度,设备必须以皮秒为单位进行测量。
    一些导波雷达物位计和直通发射器利用包括非常稳定的斜坡发生器的专用电子电路。这些产生的信号波形复制了反射波形,尽管时间框架要慢得多。只有高度稳定和精确的电子设备才能在整个范围内获得数万英寸的分辨率水平 - 足够精确,以满足大多数应用的需求。然而,由于微波能量聚焦并沿着波导传播,导波雷达提供了明显优于通风的优势,这使得该技术更适合于长测量长度,特别是低介电产品。

导波雷达物位计的应用指南
肮脏的服务条件
    对于处理产品的行业而言,获取准确水平的产品长期存在困难。特别是,石蜡堆积(在石油化学过程中经历)和熔化的硫能够在它们接触到的所有物体上积聚,包括导波雷达物位计。
    依赖于同轴以及双杆或双缆波导的导波雷达物位计在这里特别不利。当产品堆积桥接两个杆之间的间隙时,问题就出现了,由于两根线之间的阻抗改变,使得该单元不能工作。
    解决该应用困境的优选布置涉及使用悬挂在罐中的单个电缆或杆 - 许多导波雷达物位计所依赖的配置。单个波导上的积聚对发射器的操作影响很小。然而,这种配置限于更高的电介质,除非将单个探针/电缆组件插入外部静止阱中,使其适合于测量下部电介质。事实上,一个导波雷达制造商最近在静止井内使用了这种单杆方法,并实现了确定三畅仪表低介电熔盐罐中水平的目标。以前的机械测量装置在罐排水时无法承受冷却硫的反复结块。

在高湍流容器内安装雷达发射器
    导波和通风雷达都可以配置为在高湍流环境中运行。虽然导波雷达在湍流容器条件下比通风雷达提供更好的性能(因为它们的光束更窄),但必须采取特殊的预防措施。在探头或通过空气信号周围安装一个简单的静水井(以平息产品)将保持更恒定的水平读数。
    通常井直径为4英寸或更小的静水井将沿其长度钻孔,以使产品与雷达信号保持完全接触,从而可以获得高精度的水平测量。通过空中雷达使用这种方法但是需要非常精确的静止井结构,具有严格的公差和特殊焊接。此外,安装和对准对于通过空气雷达静止井是至关重要的,并且不正确的设置有时可以反映错误的读数。
    另一方面,导波雷达物位计几乎不依赖于关键的静止井构造和对准。由于已经高效的波导路径,雷达信号滑过任何切口并直接向下延伸到产品。由于信号包含在波导内,并且能量进一步集中在静止井中,因此湍流的影响最小。

可用的选项以确保最佳配置
    如果工艺工程师欢迎今天雷达发射机的任何进步,那么易于配置的系统肯定会位居前列。没有什么比试图将一个适合所有变送器装入特定应用中更令人沮丧的事情,这种应用会对确定产品水平造成特定障碍。

导波雷达物位计安装注意事项:
    我们三畅仪表目前可以提供全系列的液位计,安装,耦合器和探头类型; 因此,精确的解决方案几乎可以与任何应用相匹配。例如,容纳单根或同轴电缆的各种探头 - 其中一些可以弯曲以适应不同的储罐,箱或筒仓 - 允许导波雷达单元从工厂到达工厂的最佳配置。刚性和柔性探头的可用性允许安装到各种新的和现有的应用中。当需要时,一些探针甚至可以在现场切割成一定长度。在南非的Secunda,通过使用导波电缆在90°拐角处发射雷达波束的能力允许精确测量冷却塔内的水平。
    安装导波雷达物位计不如安装通风设备那么重要,因为后者依赖于天线的精确配置。此外,导波雷达物位计可以在较小的开口处工作。一些制造商的导波雷达只需一个NPT开口即可安装到腔室内。
    在许多情况下,雷达装置必须安装在外部腔室内。当先前无效的机械水平检测器安装在现有的外部腔室中时,通常会出现这种情况。今天的导波雷达物位计能够适应各种容器形状,从而实现更直接的改装过程。
    在某些应用中,可能需要特殊的仪器外壳。例如,不锈钢特别适用于海上用途,其中盐水甚至会腐蚀涂有粉末的铝。一些导波变送器可提供防爆等级的不锈钢外壳。一些导波雷达物位计制造商甚至表示愿意创造定制的一次性设计,以满足极具挑战性的应用的需求。例如,使用溴几乎总是需要定制的安装和包括气密密封的探头。容纳氢氟酸的罐需要规定由Monel制成的探针,而不是不锈钢。

通讯选项
    适当的配置还应包括雷达发射机单元的通信能力。许多雷达单元使用内置滚动LCD显示器“本地”显示结果,该显示器提供现场选择的英尺,英寸,毫米,厘米,米或甚至百分比的测量。但是,设备在整个加工厂的业务系统中无缝地传递这些数据的能力同样重要。导波单元不仅提供4-20mA输出,还提供各种数字通信功能,如Hart和Honeywell DE。

摘要
    由于能够在诸如低介电常数,腐蚀性化学环境以及高工作温度和压力等不利条件下精确测量各种具有挑战性的产品,导波雷达发射器的使用率正在提高。事实上,GWR正在成为特定应用的首选测量方法,例如; 原油,丁烷,丙烷,熔融硫,液氨,塑料颗粒,粉末,粉煤灰,浆液,污泥,酸,氯,这个名单还在继续。
    它们在配置新应用程序和现有应用程序时的灵活性以及广泛的通信协议选择也增加了它们的日益普及。由于其直观的设计和较低的工作频率(低于1GHz),导波单元通常也比通过空气单元可比较便宜。
    考虑到上述所有情况,三畅仪表的工艺工程师在应对准确确定其设施的容器罐,箱,筒仓和料斗内的产品水平的挑战时,可以期待乐观的未来。对于那些采用导波技术的人来说,“船只”肯定是半满的。
 

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