雷達物位計在粒堿料位測量中的應用

王 斌, 衣 靜

(山東濱化集團東瑞化工有限責任公司，山東 濱州 256619)

雷達物位計在粒堿料位測量中的應用

王 斌, 衣 靜

(山東濱化集團東瑞化工有限責任公司，山東 濱州 256619)

主要介紹了雷達物位計的測量原理及空譜測量技術，列舉雷達物位計在粒堿料位測量的現場實際應用，了解其主要特點，并總結了雷達物位計在設計安裝中的注意事項以及常見的故障處理方法。

雷達物位計；空譜測量技術；二線制通訊；介電常數

隨著化工生產的自動化程度的提高,控制系統現場儀表的應用越來越廣泛。儀表進入了一個新的發展時期,新型儀表不斷出現。雷達液位計就是近幾年開始應用的新型測量儀表，在石油、化工等行業得到廣泛應用,尤其適用于各種高溫、高壓、強腐蝕的惡劣環境。

山東濱化集團東瑞化工有限責任公司的10萬噸年粒堿系統裝置擁有兩套成品粒堿料倉。粒堿即粒狀燒堿，是固體燒堿(氫氧化鈉)產品的一種，放置在空氣中會吸收空氣中的水分發生潮解，與二氧化碳反應發生變質，并且在堆積的過程中會產生大量的堿塵，另外粒堿具有較強的腐蝕性。根據粒堿的以上物理特性，經過多方考證和咨詢，我公司決定使用由德國思科公司推出的德爾塔雷達物位計來對粒堿料倉的料位進行實時監控。德爾塔雷達(DeltaRadar)物位計大量增加了智能化設計，與市場中的大多數產品相比，具有許多突出的他點，例如：全范圍的智能化處理、更強的信號與干擾信號辨別能力、小信號自動增益的處理能力；通過雙端口技術、先進的表面跟蹤能力以及抗冷凝和防塵天線，提供最佳性能和正常運行時間；具備多種過程連接件、材質、天線和高低頻率型號，在應用方面提供高靈活性；可以用于容器中有各種干擾物體，介質中有泡沫、有粉塵、液面有明顯的顫抖；其測量原理和精度不受介質密度、溫度、壓力及其介質腐蝕性等工藝條件的影響，從而該產品有廣泛的適應性和高穩定性。

1 雷達物位計的測量原理

圖1 測量原理

德爾塔雷達工作頻段為24G-26GHz(K段)，是一種調頻連續波(FMCW)原理的非接觸式雷達，FMCW雷達采用了高頻電磁波信號(24G-26GHz)進行測量，內部電路在2GHz(24G-26GHz)范圍進行掃頻(線性遞增)，生成頻率與距離的關系，在距離為1米時，頻率差有300Hz左右，1毫米時有0.3Hz；如果以時間為基準，1米距離的時間差只有3.3納秒，1毫米時為3.3皮秒，所以無法以時間為基準，但通過對頻率差的處理(傅里葉變換)，可以得到不同發射物質(距離)的頻譜，由罐高減去此距離就可以得到液位和相關的參數。問題是雷達的發射能量有限(環境污染)和在介質空間中很容易被吸收，同時在發射路徑中遇到任何物質都會有不同的反射，所以在信噪處理、反射角度控制、安裝位置選擇都需要考慮。在經過相當時間摸索和運用案例總結后，德爾塔雷達(DeltaRadar)積累了許多經驗和教訓，在軟件和硬件做了許多調整和修改后，在抗干擾等方面，具備了很好的技術和先進特點。測量原理見圖1。

2 空譜測量技術

24GHz頻率調制連續波是以2GHz頻率為單位的連續掃頻，通過不同規格的天線向外發射，由于頻率的提高，帶寬加大，使得同等發射角度下，天線的尺寸可大大減小，所需要的功耗也大大降低，可以保證更大的傳播距離，更高的精度；大家知道，由于頻率的提高，同時會帶來更多的反射(周圍的所有物品都會引起反射)，在大量的干擾中無法確認有效的信號。德爾塔雷達中使用了空頻譜分析技術，在初始設置時，可以對空罐(或者部分空罐時)進行頻譜分析，將各種干擾源或固定不移動(變化)的物體進行頻譜記錄，相當于先記錄各種干擾源的頻譜；在進行正常測量時，將包括各種干擾源和被測物位的頻譜全部檢測出來(功率譜)，然后結合空頻譜進行相關分析，生成相關譜，將各種固定干擾從測量信號中刪除，只剩下所需要物位的譜。此方法大大提高了抗干擾能力和對現場各種工況的適應能力。可以應用于有攪拌、晃動或罐內有各種管道等障礙物的情況，是許多同類產品所不具備的。

3 雷達物位計在粒堿料位測量中的實際應用

經過4年多的使用，我公司粒堿料倉使用的德爾塔雷達料位計運行情況相當穩定，且指示準確，既節省了儀表維護費用，又有效保障了設備和人生安全，提高了物位指示的準確性，保障了工藝正常生產。粒堿料倉上半部分位移圓柱體，而下半部分是一錐體的形狀(如料倉結構示意圖見圖2)。

圖2 料倉結構示意圖

下料口位于設備的一側，將雷達液位計安裝在料倉錐形體正上方，將錐形體底部向上的一段距離設置為測量死區，將其不作為料位的測量數值，這樣固體堿在料倉的一側會不斷堆積，當料堆積到一定程度時，就會大量的向另一側塌方，料位也會突然地大幅度變化。由于德爾塔雷達物位計是工作頻段為24G-26GHz的一種調頻連續波(FMCW)原理的非接觸式雷達，它以2GHz頻率為單位的連續掃描，通過天線向外發射，由于頻率的提高，帶寬加大，使得同等發射角度下，天線的尺寸可大大減小，所需要的功耗大大降低可以保證更大的傳輸距離，更高的精度。由于頻率的提高，同時會帶來更多的反射，以上粒堿料倉中料位的不規則變化性都會引起反射，德爾塔雷達物位計使用了空頻譜分析技術，在初始設置時對料倉進行頻譜分析，將各種干擾源或變化的物體進行頻譜記錄，相當于先記錄各種干擾源的頻譜，在進行正常測量時，將包括各種干擾源和被測物位的頻譜全部檢測出來，然后結合空頻譜進行相關分析，生成相關譜，將各種固定干擾從測量信號中刪除，只剩下所需要物位的譜，此方法大大提高了抗干擾能力和對現場各種工況的適應能力，可以應用于以上料位不規則變化的工況，這是許多同類產品所不具備的。

4 雷達物位計儀表特點

4.1 全中文顯示界面

a.中文觸摸屏人機界面，160x160點陣，9行字符，8層灰度，方便現場調試安裝；

b.表頭現場顯示有多種內容(液位、距離、體積、百分比等)可供選擇；同時有多種方式(罐體圖、棒狀圖、波形圖等)直觀顯示；

c.全中文顯示，包括正常運行參數、各層的組態的參數、在線幫助和故障出錯提示，全部為中文界面。

d.故障/測量錯誤中文列表：如遇到測量出錯或者參數設置錯誤，在屏幕上將會出現中文的在線錯誤提示，會顯示出錯原因和時間，對于現場故障檢測和排除非常有幫助；

4.2 二線制通訊儀表

a.二線制現場儀表(4～20Ma+HART，14～30VDC供電)：盡管有大屏幕的耗能，還支持足夠的功率來保證40米長的測量范圍；

b.雙輸出：在液位、距離、體積、質量、界面等中，可以任意選擇其中2項同時輸出，不需要通過信號分配器；

c.電源中加有特別的濾波處理，可以消除來自各種電源網的噪音和干擾；

4.3 外殼

a.外部結構為鋁合金材質，按照隔爆要求設計，無需特別要求；

b.擁有電源部分和電子模塊部分相互獨立的雙腔式結構，接線安全和容易；可以滿足本安和防爆等特殊場合的要求；

4.4 天線

a.多種天線規格，DN40，DN50、DN80和更大(DN100，……)；

b.天線加長型，最長可以加長到1米，以滿足不同罐體安裝、不同測量范圍和不同介質的需要；

c.發射角度比一般產品要小： 2.5°(DN100,單邊),5°(DN80)，10°(DN50)和15°(DN40),1米時的反射半徑只有130毫米(DN80)

d.天線的材料可以是316L(標準)或者哈氏合金(可選)

4.5 超低介電常數的測量

a.由于雷達的反射率沒有導波雷達強，通常產品不能測量介電常數比較小(<=1.5)的介質，對于這類產品，往往干擾信號回波的幅值要比物位的回波幅值要大，所以罐底跟蹤技術就尤為重要。

b.直接測量可以達到1.5(介電常數)，罐底跟蹤模式可測量到1.1介質，幾乎大多數介質物位都可以測量(總體講，比導波雷達效果要差)；

c.被測量介質的溫度、壓力、密度、粘度等對測量沒有影響，只與介電常數相對值有關；

4.6 獨特的空頻譜設置

功率譜、空頻譜、相關功率譜見圖3。

圖3 功率譜、空頻譜、相關功率譜

功率譜：雷達接收到的所有回波的頻譜；空頻譜：對罐內不變化(移動)的固定的干擾信號進行的頻譜分析；相關譜：經過二個譜互相關計算后，去除各種已經紀錄的干擾信號，進而得到真實的液/物位 ；

使用該技術后，對于容器中有各種干擾物體，有泡沫，有蒸汽介于產品中間，有顫抖的表明，都可以進行有效工作；使得更加可靠和廣泛的適應性。

5 雷達物位計的安裝注意事項

(1)安裝雷達物位計時，應避開進料口，進料簾和漩渦，因為液體在注入時會產生幅值比被測液位反射的有效回波大得多的虛假回波。同時，漩渦引起的不規則液位會對微波信號產生散射，從而引起有效信號的衰減，所以應避開他們。

(2)測量物位的場合，宜垂直向下安裝。雷達的波束中心距容器壁的距離應大于由束射角、測量范圍計算出來的最低料位處的波束半徑。

(3)對于有攪拌器的容器，雷達液位計的安裝位置不要在攪拌器附近，因為攪拌時會產生不規則的漩渦，它會造成雷達信號的衰減。同時，攪拌器的葉片也會對微波信號造成虛假的回波，特別是被測物體的相對介電常數較小和低液位時，攪拌器所造成的影響更為嚴重。

(4)當雷達液位計用于測量腐蝕性和易結晶的物體液位時，為了防止介質對傳感器的影響，制造廠一般都采用帶有聚四氟乙烯測量窗的分離法蘭式結構。應用這些部件的環境溫度不能太高，聚四氟乙烯的最高溫度為200攝氏度。為了避免高溫對雷達天線的影響，也為了防止膜片上存在的結晶物影響儀表正常工作，要求法蘭端面和最高液位之間至少有100-800mm的安全距離。

6 常見故障及處理方法

儀表提供二類故障：出錯(F，測量值不對)和警告(W)；

各有三種狀態：測量狀態、信號狀態和操作狀態；

測量狀態：主要是液位信號丟失；液位高/低；

信號狀態：這樣是參考脈沖設置問題，液位脈沖增益不對，門 檻設置不合適；

操作狀態：參數設置超出給定的范圍。

常見故障及處理方法見表2。

表2 常見故障及處理方法

[1] 寶 祥，王桂云，施引萱.儀表維修工[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2] 政 學.化工測量及儀表[M].2版.北京：化學工業出版社，1992.

[3] 嘉 謙.儀表工手冊[M].2版. 北京：化學工業出版社，2003.

[4] 蘊 端.化工自動化及儀表[M].上海：上海交通大學出版社，1987.

(本文文獻格式：王 斌, 衣 靜.雷達物位計在粒堿料位測量中的應用[J].山東化工，2016，45(14)：74-76.)

Radar Level Meter Application of Material Level Measurement in Grain Base

WangBin，YiJing

(Shandong Befar Group Dawnrays Chemical Co., Ltd., Binzhou 256619,China)

Mainly introduces the radar level meter measurement principle and space spectrum measurement technology, enumerates the radar level meter material level measurement in practical application scene of grain alkali, understand its main characteristics, and summarizes the radar level gauge in the matters needing attention in design and common fault handling method.

radar material level meter; space spectrum measurement technology; two-wire communication; dielectric constant

2016-05-09

王 斌(1981—)，本科學歷，助理工程師，2005年畢業于青島科技大學自動化專業，現任濱化集團東瑞公司電儀車間技術員。

TQ056.1

A

1008-021X(2016)14-0074-03