测量介质引起的非接触式雷达液位计误差分析

 

0引言

        雷达液位计是利用雷达波在被测物料面上的反射及其在空间的行程时间来测量物位的，其抗干扰性能好、耐高温高压、耐老化性能好、安装方便且精度高，所以应用越来越广泛。随着液位测量技术的发展，雷达液位计己逐渐成为主流的工业液位计之一，并广泛应用于电力领域，对该类仪表的误差分析，有助于研究目前雷达液位计在电厂设计中应用的合理性，并可指导电厂设计工作。

 

1、非接触式雷达液位计测量原理

        雷达液位计周期性地向被测物料面发射雷达波脉冲，当接收到被测物料面上反射回来的回波后，测量两者时间差，即雷达波脉冲的行程时间，来计算物料面的距离，如图1所示，即:

                              h=H-t/2(1)式中，h为液位;H为罐高;:为雷达波速度;t为雷达波脉冲从发射到接收到回波的行程时间。

2、非接触式雷达液位计的误差分析

    由式(1)可以看出，液位h和罐高H是固定的，雷达波脉冲时间t主要取决于液位计本身的元器件质量和回波处理软件等，因此，引起雷达液位计误差的主要因素是雷达波在介质中的传播速度。

 

2.1雷达波的传播速度

    雷达波在真空中的传播速度由下式给出:

式中，Go为雷达波在真空中的传播速度，Eo为真空介电常数，Uo为真空磁导率。

    介电常数E是介质的一个特性，它影响电荷相互作用力的大小，介电常数越大，两个电荷之间的作用力越小。真空中的介电常数。0=8.854 X 10-12 F/m。某种介质的介电常数对真空介电常数的比被称为相对介电常数Er，它是一个无量纲的参数，即:

        在应用雷达波来检测物位时，被测物料的相对介电常数一是非常重要的，它会影响到雷达波的传播速度，对于相对介电一常数低的被测物料，部分雷达波能量将穿入物料，剩下的部分能量将从料面上反射。当介电常数Er<2时，非接触式雷达液位计将难以实现测量。

        雷达波的磁感应强度矢量对雷达波的速度影响主要体现在磁导率U，相对磁导率Ur是介质内磁导率U与真空磁导率Uo的比。就雷达波在非磁性气体和蒸汽中的传播速度而言，磁导率的影响微不足道，而与相对介电常数相比，它对雷达波的反射也没有实质的影响。对于在被测物料上方的非磁性气体，其相对磁导率Ur=1。

 

        由于不同介质的相对介电常数不同，因此雷达波在其内的传播速度也不一样，某一介质中的传播速度由下式给出:

        式中，C为雷达波在介质中的传播速度;Co为雷达波在真空中的传播速度;Er为相对介电常数;Ur为相对磁导率。

 

2.2   误差分析

        对于非接触式雷达液位计，气相介质的温度、压力、气体成分等参数变化会引起雷达波传播速度变化，因为传播介质的介电常数会变化，从而引起雷达液位计误差。气相介质的相对介电常数由下式给出:

        式中，Er为气相介质的相对介电常数;ErN为介质在标准状态下一的相对介电常数;Tn为标准状态下的温度，即273 K;Pn为标准状态下的压力，即100 kPa ; T为过程温度;P为过程压力。

        式((5)中，一些常用气体在标准状态下的相对介电常数如表1所示。

        将式(5)代入式(4)中，便得到在实际工况下，雷达波在气相介质中的传播速度为:

        由式(5)和式(6)，就可以根据实际的工况条件，即气相介质的温度、压力、气体成分等参数，计算出不同气相介质的相对介电常数和雷达波的传播速度，从而计算出雷达液位计在实际工况条件下的误差，同时可以单独分析过程温度和压力的变化引起的误差。

 

3 某电厂设计中非接触式雷达液位计误差分析

        从某电厂设计文件的信息中可以看出，非接触式雷达液位计主要应用在罐体和地坑中，大部分仪表的测量精度要求为士2.5%。下面以其中某系统的水箱液位测量为例，就某电厂设计中的非接触式雷达液位计进行误差分析。

 

3.1情况介绍

        某系统的水箱液位测量选用非接触式雷达液位计，当液位降至低整定值时，打开补水阀门，当液位升至高整定值时，关闭补水阀门。仪表主要数据情况如表2所示。

    仪表的测量环境良好，无泡沫、粉尘、液面波动、结晶等情况，根据电厂zui终选用仪表的相关资料，采用仪表的精度可以达到士2 mm.

 

3.2仪表误差分析

        罐体的上部介质是氮气，由表1中数据可以查得，氮气在标准状态下的相对介电常数ErN为1.000 576，过程绝对压力P为1.134 kPa，过程温度T为65.6 0C，即338.6 K，将以上数据代入式(5)和式((6)，得到仪表在实际工况下的相对介电常数和雷达波传播速度:

        通常雷达液位计是在标准状态下的空气中校准的，则校准时，介质的相对介电常数由表1可查得为1.000633，代入式(4)，可求得校准的雷达波传播速度为:

        此时仪表的精度为：

        由于仪表的量程为0-0.5m，则此时的误差可以达到：

        由以上计算分析可以得出，只要供货商能够保证仪表本身元器件和处理软件的质量，并保证仪表在现场正确安装，根据实际工况条件，仪表能够满足其给出的士2mm的精度保证，同时仪表选型也满足工艺要求的士2.5%精度。以上分析也证明了非接触式雷达液位计的精度确实比较高，适用于很多精度要求高的场合。

 

 

4   结语

        本文介绍了非接触式雷达液位计的工作原理，并就介质的温度、压力和成分引起的非接触式雷达液位计误差进行了重点分析，zui后根据某电厂的应用实例对非接触式雷达液位计进行了误差分析，有助于研究目前雷达液位计在电厂中应用和选型的合理性。

 

        本文的某电厂非接触式雷达液位计误差分析实例中，环境条件无泡沫、粉尘、液面波动、结晶等情况，因此仪表本身的工作环境条件很好，在其他雷达液位计应用场合，如果环境条件比较恶劣，或者安装罐体和地坑的结构复杂，再或者安装方式不当，都有可能对雷达液位计的精度产生影响，因此在后续分析中可以针对具体情况，在本文的分析方法基础之上，考虑其他因素的影响。