超聲波技術近幾年來發展很快,是目前應用最廣泛的非接觸式測量方法,特別在液位測量。但超聲波必須借助於空氣傳播,而空氣的溫度、濕度、組分等的變化會影響超聲波傳播速度,空氣中的粉塵也將衰減超聲波的傳播信號;當前超聲波物位測量僅用於測量塊料或顆粒狀的物料,對粉倉料位的測量,由於粉倉料位表麵在下料時非常疏鬆,對超聲波信號有較強的衰減,故至今還沒有測粉倉料位成功的先例。
九十年代末期,在過程檢測領域出現了高性能、低價格的微波物位計即雷達物位計(雷達料位計),所謂微波是電磁波,其頻率範圍為300MHz~300GHz, 微波的傳播速度為3x108m/s, 如設頻率為5.8GHz, 在大氣中波長約為52mm,其穿透力強,傳播速度不受粉塵、蒸汽及介質組分的影響,傳播衰減也很小;對被測固體物料除要求其介電常數ε>1.8外,物料的溫度、壓力、密度等幾乎不影響對其準確的測量;現有雷達物位計(雷達料位計)在天線設計和形狀確保了接受回波的能量;另外現場調試也十分簡單,通過專用的軟件,能把正確的回波迅速找到,並立即換算為物位值。由於比超聲波物位計(超聲波料位計)有其更卓越的性能,近幾年來,雷達物位計(雷達料位計)迅速、大量進入了過程檢測儀表的市場,在各行業普遍使用。尤其在水泥行業的物位測量幾乎全部由雷達物位計(雷達料位計)占領,據統計近幾年來新設計的大型水泥廠和粉磨站的各類庫和倉近90%采用了各種類型的雷達物位計(雷達料位計)。成都市地坤機械設計研究所生產的UL係列雷達物位計(雷達料位計),其性能已達到或超過國外同類產品的水平,且價格低廉,已成功應用在水泥、建材、鋼鐵、礦山、石油、石化等行業,用戶反應其使用效果非常好。
選購常識:
1.脈衝型和調頻連續波雷達的選擇
用於物位測量的雷達物位計(雷達料位計)通常分為兩類:脈衝型雷達(Pulse)和調頻連續波雷達(FMCW)。脈衝型雷達 物位計(雷達料位計), 其工作模式與超聲物位計相似,天線周期地發射微波脈衝,並接收物料麵回波,同時對回波信號進行分析處理,確認有效回波,據之計算物位。精確度約為0.2~0.3%F.S.。由於其頻率較低(6.3GHz),並且在天線結構設計時充分考慮了冷凝、積料等影響,還能利用超聲波物位計(超聲波料位計)中的回波信號處理,在有攪拌器等複雜工況中也能識別有效回波,價格相對也較便宜, 一般中檔以下的過程控製儀表都采用脈衝型雷達物位計(雷達料位計)都用此方式。
調頻連續波型雷達物位計(雷達料位計)(FMCW):天線發射的微波是頻率被線性調製的連續披,當回波被天線接收到時,天線發射頻率已經改變。根據回波與發射波的頻率差可以計算出物料麵的距離。FMCW方式測量線路較複雜,價格較高,但測量精確度較高,可以達0.1%F.s.,甚至更高。同時幹擾回波也較易去除,所以一般較高端的產品都采用調頻連續波型雷達物位計(雷達料位計)。
2.測量顆粒狀物料的儀表選型
顆粒狀物料,如大塊礦石、石灰石、原煤、頁岩等,儲存在倉庫裏都存在物料的安息角,但也有反射介麵。根據入料和卸料所形成的物料安息角和表麵情況,在確定有效量程後,建議采用非接觸型的雷達物位計(雷達料位計),即帶有棒形或 喇叭形天線的料位計。如用接觸型的雷達物位計(雷達料位計),會產生對纜繩較大的下拉力,造成事故。根據 相關行業用戶的反饋信息,喇叭形天線的料位計回波更強,精確度更高(±0.2~±1% F.S),常用型號為UL53或UL54。
3.測量粉狀物料或介電常數很低的塑料粒子(如聚乙烯)的儀表選型
對於粉狀物料,非常難測其料位。在庫裏的粉料表麵非常疏鬆,微波反射相當困難,為此建議采用接觸型雷達物位計(雷達料位計),也可選用大法蘭的帶有 喇叭天線的非接觸型雷達物位計(雷達料位計),較典型的產品為成都市地坤機械設計研究所生產的UL31纜式導波雷達物位計(雷達料位計),它實際上是把纜繩既當天線又作導波管,合二為一,微波脈衝從探頭發出後沿纜繩傳播,當脈衝遇到物料表麵時會被反射回來,其量程可達35m,被測物料的介電常數ε最低為1.6,另外纜繩的耐磨和忍受的最大下拉力,能滿足各類粉料庫的檢測要求。目前已有許多水泥廠 、電廠用纜式導波雷達物位計(雷達料位計)測量水泥庫和粉煤灰庫的料位,取得較好的效果。
4.導波雷達物位計(雷達料位計)的儀表選型
導波式雷達物位測量技術是微波物位計的一種變型,英文名稱是Time Domain Reflectometry(時域反射法)或簡稱TDR,俗稱導波雷達,通常采用脈衝波方式工作。與調頻連續波或脈衝型雷達物位計不同點在於微波脈衝不是通過空間傳播,而是通過一根(或兩根)從罐頂伸入、直達罐底的導波體傳播。導波體可以是金屬硬杆或柔性金屬纜繩。微波脈衝沿杆或纜的外側向下傳播,在被測物料表麵上被反射,回波被天線接收,由發射脈衝與回波脈衝的時間差即可計算出傳播距離。它可以測量的範圍包括液體和固體的物位,以及非導電液體與導電液體的分界麵。
和調頻連續波或脈衝型雷達物位計一樣,反射信號的強度取決於被測物料的介電率或導電率。但導波式可以測量更低介電率的物料。其導波體由單根的金屬杆或纜、或單根或兩根平行的杆或纜、或同軸管構成。
雙杆(纜)及同鈾管式導波體由於電場能量集中,易受外部結構影響,可以測量較低介電常數的介質(ε1>0.5)。但在杆之間(或管內部)容易積料,積料上會產生虛假回液,故主要用於液體介質。
單杆(纜)式可以用於液體介質,而且因為不易積料,也可以用於粉狀或顆粒狀固態物料。
導波式微波物位計雖然喪失了非接觸的優點,但在下列應用領域有其獨特優勢:
(1)低介電常數的液體,如:液化氣、輕質汽油等,尤其在石化行業的煉製過程中,經常會碰到液化氣球罐和瀝青罐的液位測量,但由於液化氣的介電常數εr<1.9,而瀝青由於粘度過大且其高溫蒸汽容易在測量儀表上產生掛料現象,在這種工況下,解決的方法不多。如果用普通調頻連續波或脈衝型雷達物位計,因其介電常數低、反射信號弱導致不能穩定工作,也必須加導波管來集中能量,一樣是接觸式。而導波式價格低,工作更穩定,安裝也方便。
(2)同時測量油罐中的泊位及油-水界位或類似場合。但必須注意,上層液體必須是非導電的,下層液體必須是導電的或介電常數較大的。
(3)測量固態物位,特別是粉狀物位或介電常數很低的塑料粒子(如聚乙烯)的物位。與超聲波及普通調頻連續波或脈衝型雷達物位計相比,工作穩定可靠。
(4)高溫、高壓的物位測量。如鍋爐汽包及加熱器水位。這種高溫、高壓同時存在的場合能解決的手段不多,通常是用浮筒液位計(電動或氣動)。但由於有活動部件,工作可靠性受影響。但導波式雷達物位計己能做到耐高壓34.5MPa(在20℃時)。同時耐高溫高壓的可達到200℃(在29MPa時),及450℃(在13.5MPa時)。由於其探頭部分就是同軸金屬管,所以結構簡單,價格低,是電子式浮筒液位計更新換代產品。
雖然導波式微波物位計是接觸式的,但價格較低,又有上述優點,所以也作為一種受歡迎的測量方法得到發展。生產廠家也逐漸增多,主要有Dikun(成都市地坤機械設計研究所)、E+H、Magnetrol、K-Tek等。
5.二線製和四線製的選擇
目前使用的雷達物位計(雷達料位計)大多是一體化的產品,由二線製供電,可直接接控製係統的模塊,輸出4~20mA的模擬信號,可節省大量電纜。
四線製技術比二線製技術有更高的信噪比,因此它有比較大的測量範圍並且能夠應用於惡劣的工況。因此在二線製儀表無法滿足要求的惡劣且複雜的工況下,可以考慮采用四線製儀表。
不管是二線製還是四線製儀表,都可提供HART數字信號和各種協議的現場總線的數字通信功能,和計算機監控係統連接非常方便,既可在現場調試;也可用PC機在控製室調試,如組成FCS係統還可在操作員站調試