摘要：制冷剂罐体液位测量是涡旋压缩机液击试验工艺控制的重要部分。导波雷达液位计基于雷达波的时域反射 (TDR) 原理, 与现有实验台安装的磁翻板液位计相比, 具有不受介质密度影响、测量精度高等诸多优点。本文阐述了导波雷达液位计的工作原理、性能特点、使用注意问题以及在新建液击实验设备中的选型与应用。本文结合导波雷达液位计在压缩机实验室新建液击实验台项目中的应用进行说明。
丹佛斯压缩机实验室现有液击实验设备选用了BM 26A
磁翻板液位计。安装有磁钢的浮球在连通器导向管内随容器内介质液面升降而上下运动, 磁钢磁性透过导向管传递给外装的翻柱显示器, 推动翻柱旋转180°并改变颜色, 两色交界处即是液面的高度。但受测量原理制约, 磁翻板液位计只能侧向安装, 且测量精度一般;另外由于运动部件过多, 在长期使用过程中, 出现过浮球与磁翻柱卡死现象, 故障率过高。
本文结合导波雷达液位计在压缩机实验室新建液击实验台项目中的应用, 分析阐述了导波雷达液位计的工作原理、性能特点、使用注意问题以及在新建实验台制冷剂液位测量的应用。说明了采用导波雷达液位计替代磁翻板液位计的方案的优越性。
1、方案的选择：
新建液击实验台项目液位变送器zui终方案选用了三畅仪表厂的导波雷达液位计。对于选用此方案的分析阐述如下。
1.1、导波雷达液位计的基本原理：
导波雷达液位计的工作原理是基于雷达波的时域反射原理 (TDR) , 雷达波发生器产生一个沿探测杆向下传送的雷达脉冲波[1]。当雷达波遇到被测介质表面时, 部分脉冲被反射形成回波并沿相反路径返回到脉冲发射装置, 用超高速计时电路 (电子表头) 精确地测量出脉冲波的传导时间, 而发射装置与被测介质表面的距离同传导时间成正比, 经计算就可得到液位高度[2]。
1.2、导波雷达液位计的优点：
导波雷达液位计优点主要有:
(1) 安装方式多样, 可以使用螺纹和法兰连接;可以选择顶装或者侧装。
(2) 没有会被磨损和破坏的机械运动部件。
(3) 介电常数、密度、压力、温度的变化对测量无影响[3]。
(4) 信号波在导体中传输, 液面波动对测量精度的影响小。
1.3、导波雷达液位计的使用情况：
本文选用的导波雷达液位计, 该产品在压缩机实验室热气旁通性能实验台中广泛使用, 用来测量油分离器中的油位高度。有10年以上的成功使用案例且运行稳定。
1.4、导波雷达液位计与磁翻板式液位计的方案比较：
1.4.1、测量精度：
涡旋压缩机液击测试规范要求, 液位测量精度在±0.5L之间。但是在某型号大冷吨液击实验设备设计中, 受实验间布局和测试单元空间限制, 液罐筒体的外径型号不得小于323mm, 如果选用磁翻板液位计, 在测量精度为±10mm的前提下, 计算液位测量精度仅为±0.75L, 无法达到测试规范要求;而导波雷达液位计在直接测量模式下10米内的测量精度为±3mm, 计算测量精度为±0.23L, 完全满足测试要求。
1.4.2、介质密度：
磁翻板液位计浮子材料选型与介质密度相关, 如表1所示:
而在涡旋压缩机液击实验过程中, 液罐内介质的密度是随着实验工质和工况冷凝温度的变化而变化的。特别是近些年来, 制冷工质逐渐向低全球变暖潜能值切换, 新型制冷剂不断涌现, 考虑到未来可能的实验工况变化, 液罐内介质密度变化范围将在0.6g/cm3～1.3g/cm3之间, 所以不可能在表中选出合适的浮子覆盖所有实验工况测量。而导波雷达液位计测量与介质密度无关, 十分适合介质密度动态变化的液位测量。
上述比较表明, 导波雷达液位计测量精度高, 安装灵活紧凑, 节省大量空间。结合上述导波雷达液位计的优点, 证明选用导波雷达液位变送器的测量方案符合设计要求, 优于磁翻板液位变送器的测量方案, 且后续仪表安装维护相对简便。
2、导波雷达液位计探头的选型：
由于此类液位计是靠探头发射雷达波, 因此探头的选择也可以说是导波雷达液位计选型的重要部分, 其对液位计的基本性能有重要的影响[4]。目前探头的类型主要有三种:同轴杆式探头、双杆式探头和单杆式探头。
表1 磁翻板液位计浮子材料选型表
表1 科隆磁翻板液位计浮子材料选型表
结合本项目应用特点, 选择同轴式探头原因如下。
2.1、介质介电常数小：
制冷剂工质普遍介电常数很低, 而同轴杆式探头配置的效率和敏感度, 使其在介电常数极低 (Er>1.4) 的应用场合也会产生较强的信号强度[5], 而双杆式探头所能测量的介质介电常数需>1.9。因此, 选择同轴式探头的导波雷达变送器将能zui大程度的满足介电常数较小的液位测量要求。
2.2、储液罐筒体半径较小：
双杆探头和单杆探头有雷达脉冲作用区域zui小半径Rmin要求, 特别是单杆探头要求雷达脉冲作用区域zui小半径Rmin为300mm, 本次设计液击实验台选用液罐筒体尺寸为Φ323*9.95 mm, 已经十分接近zui小半径的要求, 将无法保证雷达脉冲不受筒壁的干扰。而同轴杆式探头无zui小作用区域半径要求, 为小尺寸筒体的设计安装提供了可能性。
3、在新建液击实验台项目中的安装使用：
本项目只测量过冷液态制冷剂液位, 因此选用了OPTIFLEX 1300 C-L系列, 因其采用了更高的动态信号和更窄的脉冲, 所以和传统的导波雷达液位计相比, 该系列仪表的精度和重复性更佳。但在安装使用中应注意以下几点:
3.1、罐底盲区：
由于液态制冷剂介电常数很小, 选用导波雷达液位计, 将在探头底部产生大约50mm测量死区, 如果同时考虑安装时底部间隙产生的死区, 累加测量盲区要在100 mm左右。在本文设计中, 将探头埋入罐底50 mm, 根本上解决了由于死区造成的无法从零位开始测量的问题。
3.2、液位计安全报警设置：
在本文应用中, 根据工艺要求, 液罐会有连续的注液和排空过程, 但是在默认仪表报警项目中, 满罐和空罐报警是生效的, 这样在液罐排空后, 仪表即处于报警状态, 并将模拟输出强行拉低至3.5 mA, 得到复位后才能从新开始正常工作。因此, 根据实际工艺需求, 选择合理的报警设置, 对安全生产意义重大。
4、结语：
经过涡旋压缩机液击实验的反复验证后, 证明导波雷达液位变送器在制冷剂液罐液位测量中代替磁翻板变送器的选型方案是正确可行的, 不但降低了成本, 在液位测量精度和运行维护等方面也均得到了优化, 可以在设备批量生产中广泛使用。
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