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雷达液位计物位计
 

雷达液位计物位计
物位是工业生产过程中重要的测量参数之一,非接触式测量方法是近些年测量物位的重要方法。较成熟的非接触测量技术有超声波技术和核辐射技术。核辐射技术因有放射源,应用需特别批准,故只用于其他方法不能解决的场合,应用受到限制。超声波技术近年来发展较快,价格也有所降低,是目前应用最广泛的非接触式测量方法,但超声波必须借助媒质传播,在物位测量中通常以空气作传播媒质,而气相媒质的温度、湿度、组分等的变化都会影响超声波传播速度,故测量时需要进行补偿。
1998年,在过程检测领域出现了高性能、低价格的微博物位计(雷达物位计)。微博的传播不受上述因素影响,特别是在化工、石化等过程工业领域,由于被测物位介质普遍存在高温、高压、腐蚀、挥发、冷凝等复杂工况,而且有防爆要求,故比起超声波物位计,它更有优势。近年来超高频半导体器件技术的发展,低价、高性能的微博物位计(雷达物位计)的推出,使其能有较低的价格用于过程检测。
对于大型储罐,存储易凝结、悬浊液、黏稠及具有腐蚀性液体的液位测量时,适于采用雷达液位计。它的特点是:无位移、无传动部件、非接触式测量,不受温度、压力、蒸汽、气雾和粉尘的限制;同时雷达液位计没有测量盲区,液位测量误差仅为0.1~1.0mm,分辨率达1~20mm。即可用于工业测量,也可用于计量。图3-20所示为雷达液位计。
雷达液位计

1.测量原理
各种物体发射的自然辐射频率遍布整个电磁波谱,通常将波长在0.001~1m,频率从300MHz~3000GHz范围内的电磁波称为微波。微波既具有电磁波的特性,又与普通的无线电波和光波不同,其特点如下:
①定向传播。利用这一特点,通过方向性较强的天线,可将微波定向传输到空间。
②准光学特性。具有与光波近似的特性,即从一种媒介进入到另一种媒介时,将产生折射与反射。介质导电性越好或介电常数越大,回拨型号的反射效果越好。遇到金属平面时,将发生全反射,其绕射能力差。
③传输特性好。传播速度相当于光速,可以穿透空间云层、雾和小雨,受粉尘、烟雾、强光等干扰源的影响小。对环境遥感和军事应用十分有利。
④介质对微波的吸收与介电常数成正比,水对微波的吸收作用最强。
雷达液位计采用高频振荡器作为微波发生器,发生器产生的微波用波导管引到辐射天线,并向下射出。当微波遇到障碍物,如液面时,部分被吸收,部分被反射回来。通过测量发射波与液位发射波之间的某种参数关系来实现大型储罐中液位的测量。频率越高,发射角越小,单位面积上能量(磁通量或场强)越大,波的衰减越小,雷达液位计的测量效果越好。
雷达式液位计主要由发射和接收装置、信号处理器、天线、操作面板、显示、故障报警等几部分组成。发射--反射--接收是雷达液位计工作的基本原理,如图3-21所示。
雷达液位计工作原理
雷达传感器的天线以波束的形式发射最小5.8GHz的雷达信号,反射回来的信号仍由天线接收,雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间与传感器到介质表面的距离以及物位成比例,即:
h=H-ut/2
式中
h为料位;H为槽高;u为微波速度;t为雷达波发射到接收的间隔时间。

2.应用特点
微波和超声波都是采取向被测目标发射波并接收目标反射波来计算距离、测量物位的,因此都需要一个波发生器及一个波接收器,具体的差别如表3-1所示

类 别
微 波
超声波
波类型
电磁波
机械波
反射特性
在不同介电常数的界面上反射
在不同声阻抗率介质的界面上反射
压力影响
微不足道
很小
温度影响
微不足道
需温度补偿
传播速度影响
约3*108m/s
约344m/s
测量盲区
到天线顶端
离辐射面大于250mm
动态范围
高达150dB
高达100dB
传播环境
很少受气相环境影响
要求均一的气体环境


主要技术因素如下:
①响应回波强度的因素。微波以光速传播,速度几乎不受介质特性的影响,传播衰减也很小,约0.2dB/km。回波信号强弱很大程度取决于被测液面上的反射情况。在被测液面上的反射率除了面积及形状因素外,主要取决于物料的相对介电常数εr。相对节点常数高,反射率也高,得到的回波也强。对于普及型的雷达液位计,通常要求被测物料介电常数εr>4,对于更低介电常数的物料,要求增设波导管来增强回波信号,或选用较复杂的雷达,通常的测量下限是εr>20.
②数据和信息的传送。对于高精度雷达,通常提供RS-232/485通信接口和计算机直接通信。对于目前大量使用的普及型雷达,则提供传统的4~20mA DC模拟信号来代表物位、距离或体积。一般还在其上叠加HART数字信号,或提供各种协议的现场总线数字通信。
③对人体健康的影响。微波辐射会引起人和动物的损失,这是众所共知的。一般对外泄露的微波功率密度通常限制在1~10mW/cm2,不会对人体健康造成损伤,而物位测量中雷达系统功率密度约为0.125mW/cm2,低于临界值,所以雷达物位计不会有这方便的问题。
由于雷达液位计采用了先进的回波处理和数据处理技术,加上雷达波本身频率高、穿透性好的特点,所以雷达液位计具有比接触式液位计和同类非接触式液位计更加优良的性能
①可在恶劣条件下连续准确得测量;
②操作简单,调试方便。
③准确安全且节省能源;
④无需维修且可靠性强;
⑤几乎可以测量所有介质。

3安装应注意的问题
①当测量液态物料是,传感器的轴线和介质表面保持垂直;当测量固态物料时,由于固体介质会有一个堆角,传感器要倾斜一定的角度。
②经理避免在发射角内有造成假反射的装置。特别要避免在距离天线最近的1/3锥形发射区内有障碍装置(因为障碍装置越近,虚假反射信号越强)。若实在避免不了,建议用一个折射板将过强的虚假反射信号折射走。这样可以减小假回波的能力密度,使传感器较容易地将虚假信号滤出。
③要避开进料口,以免产生虚假反射。
④传感器不要安装在拱形罐的中心处(否则传感器受到的虚假回波会增强),也不能距离管壁很近安装,最佳安装位置在容器半径的1/2处。
⑤要避免安装在有很强涡流的地方,如由于搅拌或很强的化学反应等,建议采用导波管或旁通管测量。
⑥若传感器安装在接管上,天线必须从接管伸出来。喇叭口天线伸出接管至少10mm.可以采取加大接管直径的方法,以减少由于接管产生的干扰回波。
⑦关于导波管天线,导波管内部一定要光滑,下面开口的导波管必须达到需要的最低液位,这样才能在管道中进行测量。传感器的类型牌要对准导波管开孔的轴线。若被测介电常数小于4,需在导波管末端安装反射板,或激昂导波管末端弯成一个弯度,将容器底的反射回波折射走。

 
 
 
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