用雷達液位計測量貯槽液位的方法

　　一、前言
　　
　　雷達液位計是近幾年開始普及的經濟型的物位測量儀表，它采用與介質無接觸的測量方式，具有安裝方便、故障率低、維護容易、度高、受介質影響小等優點，在冶金、化工、煉油等行業得到廣泛應用。
　　
　　我公司存貯粗苯、焦油、廢氨水等的十幾個高度為20m貯槽液位的測量，原設計用日本東京計裝的浮子鋼帶液位計，由于鋼帶液位計機械部件多，容易受粗苯、廢氨水等物質的腐蝕，使用以來故障率一直很高，維護量和費用也逐年增多；用雷達液位計對部分的液位計改造后，故障率明顯下降，度提高，維護量與備件費用降低，取得良好效益。
　　
　　二、浮子鋼帶液位計存在的問題
　　
　　機械式浮子鋼帶液位計，如圖1a所示，是通過浮子、鋼帶和變送器中的彈簧、轉軸、滑線電阻、放大電路等部件共同作用將槽中液位的升降轉化為4~20mA的標準化電流信號，供中控室顯示和報警。槽中固定鋼絲的導向作用是使浮子上下移動而不左右移動。
　　
　　這種類型的液位計有較多的機械部件，安裝時要在槽內安裝鋼絲，頂部安裝滑輪，鋼帶還需裝保護套管，很不方便。由于設備老化、機械部件的磨損和受介質的腐蝕，故障日益增多：貯槽內易揮發的雜質如萘等在滑輪處積垢，影響滑輪的轉動；受內部介質如氨水、粗苯等的腐蝕或操作人員在人工搖起浮子至高處突然釋放的不正確操作，使鋼帶斷裂；變送器內部的彈簧卷、滑輪等部件在使用中會出現彈簧斷裂或脫離固定支架、鋼帶脫離滑輪等故障，使變送器內的部件出現卡死故障；長期使用也會使固定鋼絲出現毛刺或斷開，浮子不能正常上下移動等。以上的任一故障都會使液位計不能正常工作。為排除這些故障，維護人員須頻繁地清理積垢、重新安裝更換部件、加油等，有些故障如更換鋼帶和鋼絲還需人工清槽，不僅工作量大，需清槽費用，又影響生產。
　　
　　三、用雷達液位計取代浮子鋼帶液位計
　　
　　為解決鋼帶液位計長期以來存在的問題，降低備件與維護費用；同時，現代工藝、控制手段的發展，也要求儀表在測量中能提供穩定可靠、度更高的在線數據，因此，有必要采用一種新的測量方式。
　　
　　由于我公司貯槽存儲的粗苯、焦油、氨水等物品易燃易爆，腐蝕性強，因此要求選用的液位計具有很高的防爆能力和抗腐蝕能力。考慮到槽內介質的密度、濃度等特性不恒定，有些介質如粗苯、焦油等還容易揮發產生霧，還要求儀表具有不受槽內霧氣和介質密度變化等影響的能力。綜合以上因素，對可用于貯槽的幾種液位計進行綜合比較后，我們選用VEGAPULS雷達液位計。它采用二線制、24VDC供電，本質安全；頂裝式，只要在大槽頂的蓋板開一孔，不需要清槽等預備工作，安裝十分方便；非接觸式測量，不受介質的特性影響；雷達發出的雷達波不需傳輸媒介，能不受影響地穿過大槽內的揮發霧，具有故障率低、容易維護、度高等優點，能很好滿足現場測量的要求。
　　
　　1.雷達液位計的測量原理
　　
　　雷達液位計采用發射—反射—接收的工作模式。雷達液位計的天線發射出電磁波，這些波經被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發射到接收的時間與到液面的距離成正比，關系式如下：
　　
　　D=CT/2
　　
　　式中D——雷達液位計到液面的距離
　　
　　C——光速
　　
　　T——電磁波運行時間
　　
　　雷達液位計記錄脈沖波經歷的時間，而電磁波的傳輸速度為常數，則可算出液面到雷達天線的距離，從而知道液面的液位。
　　
　　在實際運用中，雷達液位計有兩種方式即調頻連續波式和脈沖波式。采用調頻連續波技術的液位計，功耗大，須采用四線制，電子電路復雜。而采用雷達脈沖波技術的液位計，功耗低，可用二線制的24VDC供電，容易實現本質安全，度高，適用范圍更廣。
　　
　　VEGAPULS雷達液位計采用脈沖微波技術，其天線系統發射出頻率為6.3GHz、持續時間為0.8ns的脈沖波束，接著暫停278ns，在脈沖發射暫停期間，天線系統將作為接收器，接收反射波，同時進行回波圖像數據處理，給出指示和電信號。
　　
　　2.雷達液位計的特點
　　
　　（1）雷達液位計采用一體化設計，無可動部件，不存在機械磨損，使用壽命長。
　　
　　（2）雷達液位計測量時發出的電磁波能夠穿過真空，不需要傳輸媒介，具有不受大氣、蒸氣、槽內揮發霧影響的特點，能用于揮發的介質如粗苯的液位測量。
　　
　　（3）雷達液位計幾乎能用于所有液體的液位測量。電磁波在液位表面反射時，信號會衰減，當信號衰減過小時，會導致雷達液位計無法測到足夠的電磁波信號。導電介質能很好地反射電磁波，對VEGAPULS雷達液位計，甚至微導電的物質也能夠反射足夠的電磁波。介電常數大于1.5的非導電介質（空氣的介電常數為1.0）也能夠保證足夠的反射波，介電常數越大，反射信號越強。在實際應用中，幾乎所有的介質都能反射足夠的反射波。
　　
　　（4）采用非接觸式測量，不受槽內液體的密度、濃度等物理特性的影響。
　　
　　（5）測量范圍大，zui大的測量范圍可達0~35m，可用于高溫、高壓的液位測量。
　　
　　（6）天線等關鍵部件采用高質量的材料，抗腐蝕能力強，能適應腐蝕性很強的環境。
　　
　　（7）功能豐富，具有虛假波的學習功能。輸入液面的實際液位，軟件能自動地標識出液面到天線的虛假回波，排除這些波的干擾。
　　
　　（8）參數設定方便，可用液位計上的簡易操作鍵進行設定，也可用HART協議的手操器或裝有VEGAVisualOperating軟件的PC機在遠程或直接接在液位計的通信端進行設定，十分方便。
　　
　　3.雷達液位計安裝的注意事項
　　
　　雷達液位計能否正確測量，依賴于反射波的信號。如果在所選擇安裝的位置，液面不能將電磁波反射回雷達天線或在信號波的范圍內有干擾物反射干擾波給雷達液位計，雷達液位計都不能正確反映實際液位。因此，合理選擇安裝位置對雷達液位計十分重要，在安裝時應注意以下幾點：
　　
　　（1）雷達液位計天線的軸線應與液位的反射表面垂直。
　　
　　（2）槽內的攪拌閥、槽壁的黏附物和階梯等物體，如果在雷達液位計的信號范圍內，會產生干擾的反射波，影響液位測量。在安裝時要選擇合適的安裝位置，以避免這些因素的干擾。
　　
　　（3）喇叭型的雷達液位計的喇叭口要超過安裝孔的內表面一定的距離（>10mm）。棒式液位計的天線要伸出安裝孔，安裝孔的長度不能超過100mm。對于圓型或橢圓型的容器，應裝在離中心為1/2R（R為容器半徑）距離的位置，不可裝在圓型或橢圓型的容器頂的中心處，否則雷達波在容器壁的多重反射后，匯集于容器頂的中心處，形成很強的干擾波，會影響準確測量。
　　
　　（4）對液位波動較大的容器的液位測量，可采用附帶旁通管的液位計，以減少液位波動的影響。
　　
　　安裝完畢以后，可以用裝有VEGAVisualOperating軟件的PC機觀察反射波曲線圖，來判斷液位計安裝是否恰當，如不恰當，則進一步調整安裝位置，直到滿意為止。
　　
　　在我公司的貯槽中，zui初我們選擇雷達液位計安裝于離槽壁大約300mm的位置，用PC機觀察反射波曲線圖如圖2a所示，在反射波前有一很強的干擾波，造成這種干擾波的主要原因可能是槽壁上的積垢。為避免這些因素的影響，我們選擇在距天線和支撐柱距離各為1000mm的位置如圖1b所示，用裝有VEGAVisualOperating軟件的PC機觀察反射波曲線圖如圖2b所示，降低了干擾波的強度，有效地去除了干擾波的影響。
　　
　　對于有些安裝位置無法避免的干擾波如圖2b的干擾波，還可利用VEGAPULS雷達液位計識別虛假波的功能，液位計能根據實際液位標識出干擾反射波，并存于雷達液位計的內部數據庫，使雷達液位計在數據處理時能識別這些干擾波，去除這些干擾反射波的影響，保證測量的準確性。
　　
　　4.雷達液位計的維護
　　
　　雷達液位計主要由電子元件和天線構成，無可動部件，在使用中的故障極少。使用中偶爾遇到的問題是，貯槽中有些易揮發的有機物會在雷達液位計的喇叭口或天線上結晶，對它們只要定期檢查和清理即可，維護量少。
　　
　　在日常維護中，可以用PC機（裝有VEGAVisualOperating軟件）遠程觀察反射波曲線圖，對于后來可能新產生的干擾波，可以利用液位計有識別虛假波的功能，除去這些干擾反射波的影響，保證準確測量。
　　
　　四、效果比較
　　
　　采用雷達液位計對鋼帶浮子液位計進行改造后，設備的故障率、安裝工作量、維護量、備件量等方面都取得明顯效果，其中zui典型的是粗苯貯槽的液位測量。由于粗苯的腐蝕性*，使鋼帶浮子液位計故障頻繁，平均每月故障不少于4次；改用雷達液位計后的兩年多時間里，液位計運行穩定，未發生過一次故障。根據使用經驗，對雷達液位計和鋼帶浮子液位計性能特點進行比較，見表1。
　　
　　除了儀表的性能外，改造的一次性投資和日后的運行成本也是用戶考慮的重要內容。由表2和表3可看出，不論是一次性的改造投資，還是日后的運行成本，雷達液位計明顯要比浮子鋼帶液位計低。對用戶來說，可節約一筆可觀的改造費用和運行成本，給企業降低成本，增加效益。