雷达水位计测量系统及应用

雷达水位计测量系统及应用
传统的液位测量装置由于其固有的缺点已无法适用现代工业生产的需求。雷达液位计是一种利用微波而实现的液位测量仪，用于对储罐、缓冲罐、稳波管、旁通管中的液体、颗粒、浆料的物位进行非接触式测量，具有不受温度、压力、惰性气体和蒸汽影响、不受被测介质物理特性变化影响等优点，近年来在电力、石化、冶金、化工等领域得到了广泛应用。
1 雷达液位计测量原理及其特点
雷达液位计是按“俯视式”时间行程测量原理进行工作的，用于测量探头安装处到液位表面的间距。其结构非常简单，主要由仪表外壳、过程连接和短杆天线组成。天线起始处有一将脉冲延迟发射 100mm 或 250mm 的屏蔽管，以确保测量不受安装接管处冷凝或粘附的影响。其测试原
理见图 1。

微波脉冲从天线处向被测介质表面发射，发射波在液面处被反射，反射波被同一天线接收，发射及反射波束中的每一点都采用超声采样方法来采集，发射及反射波束均被采样，经信号处理后得到过程连接处到被测介质表面的距离 D，D 正比于微波脉冲的时间行程 T，即：D=C×T2(C是波束传播速度，为常数)。因过程连接处到测量液位零点的距离 E 已知，由此可算出液位高度 L=E- D。通过本机显示或外部系统接口可手工或半自动地输入表格进行线性化处理，以便测量球罐、柱形罐、卧罐和圆柱锥底罐等容器的物位。通常，雷达液位计采用工作频率为 5.8GHz 的微波脉冲信号，测量范围可达 20m，并在 20m 范围内任意设定。其主要技术指标如“技术指标表”所示。
2 测量系统
雷达液位计可实现智能化检测，输出 4~20mA 标准模拟信号并叠加 HART协议数字通信信号，对于电流输出型测量液位下限 E 点和测量液位上限 F 点分别对应输出 4mA和 20mA。对于数字输出型，则分别对应物位的 0%和100%。通过现场操作显示器可把 E、F 等若干参数输入雷达液位计，并存储在内部 EPROM中，雷达液位计在 E 与 F设定值之间进行测量。
2.1 单点测量系统
单点测量系统如图 2 所示。
图 2 单点测量系统
雷达液位计采用两线制 24VDC 供电，可以通过现场操作显示器进行现场组态，或经过接口卡 FXA191，将雷达液位计传送出的模拟信号转变为数字信号，传送至上位监控PC 机上进行远程组态。组态时将液位下限 E 及液位上限 F等参数输入雷达液位计，利用现场操作显示器时以菜单形式显示，可显示复位、零点、满量程、容器映图、锁定、解锁等功能。通过 PC 机可以观察到测量曲线，看到有哪些干扰、干扰物在何位置及干扰幅度有多大，并可启动干扰自动抑制功能，使测量精度更加可靠。
2.2 多路测量系统
多路测量系统如图 3 所示。
图 3 多路测量系统
多个雷达液位计的模拟输出信号通过 FXN672 接口模块和 ZA转换器，进行数字转换及传送，然后连接到上位监控总线系统，总线可选用 MODBUS、PROFIBUS、FIP、IN-TERBUS等总线。上位监控计算机通过总线按接口模块的不同地址位与各个雷达液位计进行组态与数据传输。
2.3 多路数字测量系统
图 4 多路数字测量系统
以上介绍的雷达液位计为 4~20mA 信号输出，亦可选择有数字输出接口的雷达液位计。多路数字测量系统如图 4所示。将雷达液位计输出连接至 PROFIBUS- PA 总线(至多32 个变送器，在易爆危险场合为 10 个)，经段耦合器连至PROFIBUS- DP 总线与 PC 接口。采用具有数字输出的雷达液位计在数据传输中能保证较高的测量精度。利用段耦合器将测量总线与输出总线进行电气上隔离，增加了系统的安全性与抗干扰性。
2.4 智能测量系统的工作流程
系统工作流程如图 5 所示。
图 5 系统工作流程
首先对容器设备进行基本测量。输入容器高度 E、满载高度 F 及应用参数 A(A 是用来将仪表调到满足测量要求的应用参数)。这些参数输入后，由智能显示仪表或计算机得到的操作矩阵将被锁定，以保证设置不受意外情况影响，再对采集到的数据线性化(线性化过程描述了测量电平与罐容量或产品重量间的关系)之后，测量值将在相应部分显示出来。
3 雷达液位计的选型与安装要点
3.1 影响测量距离的主要因素
（1） 液体介质特性对测量范围的影响考虑到被测液体介质的物理特性对测量范围的影响较大：介电常数较小的液体，对雷达液位计的测量距离影响大，使测量范围缩小；介电常数较大的液体，对雷达液位计的测量距离影响小，使测量范围增大。为保证较高的测量精度，可将液体分为 A、B、C、D四类。
A 类：非导电液体，如丙烷等，介电常数小于 1.4，对测量距离影响大，使测量范围小；
B 类：非导电液体，如汽油、石油等，介电常数约为1.9~4，对测量距离影响较大，测量范围中等；
C类：如浓缩的酸、有机溶剂醋、乙醇、丙酮、油水混合物等，介电常数约 4~10，对测量距离影响较小，测量范围大；
D 类：导电液体，如水溶液、稀释的酸碱等，介电常数 >10，对测量距离影响小，测量范围最大。
（2） 测量液体表面特性对测量距离的影响储罐的形状对雷达液位计的测量范围及测量精度基本没有影响，但是当被测液体的表面有纹波出现时，液体表面的反射波对雷达液位计的测量有干扰，直接影响到测量精度，所以要采取减小测量范围的方法来确保测量精度。
3.2 雷达液位计测量范围的选择
可以根据下面三种情况选择雷达液位计的测量范围。
（1)当储罐液体表面平稳时。对于介电常数小于 1.4 的A 类液体，测量范围选择为 5m；对介电常数为 1.9~4 的 B类液体(汽油、石油等)，选择的测量最大范围为 10m；对介电常数为 4~10 的 C 类液体(浓缩的酸，有机溶剂醋等)，选择的测量最大范围为 15m；对介电常数大于 10 的 D 类液体(水溶液、稀释的酸碱等)可选择的测量最大范围为 20m。
图 6 加装稳波管或旁通管测量
（2） 当储罐(缓冲罐)液体表面有纹波时。对介电常数为 1.9~4 的 B 类液体，最大测量范围选择 5m；对介电常数4~10 的 C 类液体(浓缩的酸，有机溶剂醋等)，选择的测量最大范围为 10m；对介电常数大于 10 的 D 类液体(水溶液、稀释的酸碱等)，可选择的测量最大范围为 15m。
（3） )在储罐内安装稳波管或储罐外安装旁通管时(见6)，由于雷达液位计发射的微波沿管壁向下传导，能量损失小，所以不同液体介质特性及液体表面特性对雷达液位计的测量范围的影响减小。如使用直径为 50mm 的稳波管或旁通管，对不同介电常数的液体，其测量范围均可选择为10m。如使用直径为 80mm 的稳波管或旁通管，对不同介电常数的液体，其测量范围均为 20m。即使用旁通管或稳波管，可以扩大雷达液位计的测量范围。
3.3 雷达液位计的安装要点
在安装时应注意：发射天线中心轴线与被测物料表面保持垂直，并与罐壁至少保证 30cm的间距。避免安装在储罐中心位置，因为这样会使虚假回波增强。尽量避开下料区、搅拌器等干扰源；尽量避开震动、高压清洗及横向负载。雷达液位计可以采用螺纹或法兰直接安装在罐顶部，也可安装在导波管或旁通管顶部。与传统接触式液位计相比它具有以下优点：
（1） 安装简便、费用低。在炼油厂罐区测量应用时，可以不用清罐和倒罐，直接利用原有条件安装，节省时间和费用。
（2） 维护费用低，几乎免维护，要求备品备件量少，节约资金。降低了仪表工的劳动强度，提高了生产效率。
（3） 智能化，精度高，工作可靠，功能强大。有自检、干扰抑制、随时显示、检查输出电流值、人工模拟输出液位值和电流值等功能，并可将罐内液位转换成体积显示和输出。输出数字信号可以进行通信，可保证将来的系统升级。
结语
雷达液位计在液位测量中完全能满足现场要求，是一种性价比很高的仪表，其工作性能稳定可靠，操作方便安全，保护等级较高，抗干扰能力强，推广应用前景广阔。其特点总结如下：
（1） 应用微波实现非接触式测量，应用范围广，可用于液体、乳状体、熔融体等形态物体的液位测量；被测介质可以是易燃、易爆、腐蚀性强的高温、高压状态物质。
（2） 采用数字与模拟两种输出方式，可以单台或多台按总线式配置，能方便地与上位监控计算机相连接。
（3） 具有智能化数据处理能力，雷达液位计有干扰波抑制功能。
（4） 该仪表辐射率低，仅为 1W，对周围环境及人员没有危害。
（5） 具有保安防爆功能，可带到现场操作。
（6） 通过对不同天线的匹配选择，从而具有抗腐蚀功能。
（7） 性能可靠、价格合理。