AP1000项目现场采用脉冲雷达物位计产生的问题分析及解决方案

 

0前言

         雷达信号是一种特殊形式的雷达波，其物理特性与可见光类似，传播速度相当于光速。与超声波雷达液位计相比，其不受传播介质的影响，可以在缺少介质 （真空） 或者具体气化介质的条件下传播，介质的温度变化也不影响雷达波的传播速度 [1] 。与超声波相比具有很多优势，被广泛应用到工业，工程中物位测量中。AP1000项目中使用雷达液位计用于测量罐体内液位，换料水池液位等应用，其中脉冲雷达液位计使用较多，但是在一些特殊工况下，脉冲雷达液位计无法正常工作，比如一些较小容器，罐体内测量工况比较复杂，干扰较大，这种情况下导波雷达液位计将比脉冲雷达液位计可靠性更高。本文以一个案例作基础，介绍脉冲雷达和导波雷达的优缺点，以及实际应用中如何选型。

 

1、脉冲雷达和导波雷达的测量原理

         脉冲雷达采用高频，窄脉冲对微波源信号进行调制，以波束的形式发射固定频率的脉冲波，脉冲波到达液位后再反射回接收器。从发射到接收信号的运行时间与容器中的液位成正比。通过计算脉冲波从发出到接收的时间，来确定物位的高度。测量原理如图1所示。

 

         导波雷达与脉冲雷达原理类似，也是采用发射-反射-接收的工作方式 ，不同的是雷达波不是在空气中传播，而是通过金属杆或柔性金属缆绳进行传播，导波雷达液位计的基础是利用雷达波的时域反射（TDR）原理 ，TDR发生器可以每秒 产生20万个能量脉冲，当脉冲遇到波导体与液面接触时，由于波导体在气体中和在液体中导电性能不同，介电常数发生突变，使波导体的阻抗发生变化，从而产生一个液位反射原始脉冲，同时在导体顶部具有一个预先设定好的阻抗，该阻抗产生一个可靠的基本脉冲，当原始脉冲与基本脉冲进行比较，存在时间差，可以计算出介质液位高度。测量原理如图2所示。

         反射回来原始脉冲，经过信号处理，可以得到法兰连接到被测介质表面的距离D，D与脉冲在导波杆上的传播时间T成正比如图3所示。

2、脉冲雷达液位计和导波雷达液位计比较

 

         通过表1，不难发现脉冲雷达液位计与导波雷达液位计相比，存在一些缺陷。脉冲雷达为非接触测量，当测量范围内有障碍物时容易产生虚假回波，脉冲雷达在安装法兰近端由于发射和接收回波的互相干扰，会有一定的盲区，并且影响精度；当液面有较大波动和较厚泡沫时，会造成雷达波被散射和吸收，造成测量受影响；当容器中存在搅拌器，或者管道等障碍物时，障碍物将反射雷达波，从而产生虚假液位信号，导致液位计测量受影响。在这些工况下，导波雷达液位计依据自身的特点，由于信号通过导波体传播，安装法兰近端盲区很小，精度更高，戒指测量可以不受液面波动、泡沫的影响，如果罐体内有障碍物，可以采用同轴套管式导波雷达测量，雷达波在同轴套管内传播，因此不受任何套管外障碍物的影响，因而仪表所接收的信号较强，返回信号的干扰信号也很弱，基本不受介质密度变化，介电常数变化 ，雾气和泡沫等因素的影响，可以很好的弥补脉冲雷达液位计存在的缺陷。综上所述，脉冲雷达适合较大储罐，长量程，安装条件理想的测量环境，导波雷达适合小量程、泡沫、凝露的测量环境。

 

3案例分析

3.1仪表异常表现

         在 AP1000 依托项目中 VYS 热水采暖系统，MT01稳压罐用来调节VYS系统热水膨胀力平衡.罐体上方安装有液位仪表VYS-JE-LT006，用来监测MT01罐体内部水位，根据水位高低来控制补水阀门开关，并发出报警。在进行VYS系统操作调试过程中，发现异常现象。当把除盐水向MT01罐自动充水时，液位显示会偶然出现跳变，有时液位突然显示为 0，有时显示液位高于实际量程。当手动关闭阀门，停止充水后，液位显示恢复正常。类似情况出现多次，只有调试人员断开电源，重新接通电源后，液位显示才能恢复正常。有时，还会出现在不充水情况下，液位显示上下震荡。当检查液位传感器时，发现传感器的喇叭口上出现凝结水。如图4所示，仪表液位输出信号的动态图，从图4可以看出，紫色线出现几次突然跳变现象，突然跳到满量程，从满量程突然变为0的异常现象。

3.2原因分析

         （1） 在正常工况下，VYS热水采暖系统的介质水温大概为90°C左右，尽管罐体是一个隔热的罐体，但是在罐体顶部存在一个排气孔，高温水蒸气会在天线上冷凝，形成凝结水，这将影响传感器发射雷达波信号，变送器输出显示故障，液位变送器输出信号错误或者超出测量范围。

         （2） 由于进水口距离液位计天线较近，当充水时，水流正好处于雷达喇叭口的下方，雷达波刚好打在料流上，此时测量并输出水流的高度值，根本找不到真实液位的真实回波，所以一直处于满量程状态，如图5所示。

         回波图型如图6所示。

 

         （3）进水管管径较大，管径为2”，水液位比较大，容易使液面溅起水花和漩涡，导致雷达波散射测量数值不准确。

 

3.3解决办法

         （1）改变液位计选型，使用同轴套管式导波雷达液位计，替换脉冲雷达液位计，如图7所示；

         （2） 更改进水管管径，使进水管管径由2”变为 1”。

 

         图8为脉冲雷达更改为导波雷达后，液位输出动态图，从图8可以看出，液位输出信号不再出现突然跳变的现象。

4总结

         在液位计的选型上，应充分考虑被测介质的具体情况，根据过程压力和温度选择合适的法兰，根据量程及介质的介电常数，决定天线尺寸，一般情况，量程越大，介电常数越低，天线尺寸就应该越大。当容器内工况复杂，容易产生虚假回波，或者容易产生冷凝水，介电常数和介质密度变化对液位测量产生影响，导波雷达会是非常合适的选择。