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          導波雷達液位計和磁浮子液位計在甲醇工藝的結合運用

           摘 要:自第三次工業革命以來,工業自動化逐漸取代人工,新興智能儀表應運而生,蓬勃發展。直到目前,測量液位的儀表有磁浮子式、壓力式、浮球式、浮筒式、電容式、超聲波式、雷達式、射頻導納式等。其中,雷達液位計因維護量小,性能高且穩定,精度高,可靠性高的特點,在使用量占有極大的比例。經過多年的發展,雷達液位計的生產技術已經比較成熟。它是基于時間行程原理的測量儀表,雷達波以光速運行,運行時間可以通過電子部件被轉換成物位信號。探頭發出高頻脈沖在空間以光速傳播,當脈沖遇到物料表面時反射回來被儀表內的接收器接收,并將距離信號轉化為物位信號。國內使用的主流雷達液位計采用的是高頻達 6、10、26MHZ 的脈沖微波工作,基本可以保證測量的精度和穩定,但對液面有泡沫、石蠟等干擾吸收微波反射的介質略有不足。筆者在文章中對此進行分析和探索。

          某公司為煤制甲醇工藝,精甲醇罐 4 個,中間罐 8 個(其中粗甲醇罐 4 個,一期為 2 個,二期為 2 個)法蘭口徑為 DN100。其中一期粗甲醇罐采用的是 VEGA 喇叭口雷達液位計,其余均采用導波纜繩雷達液位計。前期投用,運行良好。一期雷達液位計偶爾會出現滿量程情況,尤其在秋天晝夜溫差大時比較頻繁。拆檢為探頭處有冷凝液。半年之后,一期首先出現液位計大幅度波動,抑制后液位顯示正常。往后一段時間,經常出現類似情況。出于甲醇有結蠟情況的考慮,可能會改變液面介電常數和吸收發射微波,將液位計更換為導波纜繩液位計,情況好轉。繼續運行了 4、5 個月之后,雷達液位計出現了無規律波動。檢查回波曲線波峰不明顯,且波峰一直變化位置,回波強度大概在 30~100 MV 波動,無法準確測量液位。更換新備件后,情況沒有太大變化。每次拆檢都能不同程度地發現有部分顆粒狀物,懷疑為結蠟。由于工藝流程長期運行,儲罐不能經常切出檢修清洗,且被測介質極易結蠟。綜合以上因素,需找出一個長期穩定有效的辦法來解決這個問題。 

          1 導波雷達液位計測量原理

          導波雷達液位計是依據時域反射原理(TDR)為基礎的雷達液位計,采用高頻振蕩器作為電磁脈沖發生體,發射電磁脈沖,沿導波纜或導波桿向下傳播,當遇到被測介質表面時,三暢雷達液位計的部分電磁脈沖被反射回來,形成回波。并沿相同路徑返回到脈沖發射裝置,通過測量發射波與反射波的運行時間,經 t=2d/c 公 式,計算得出液位高度。根據圖(a)所示,導波雷達液位計發射電磁脈沖時,在通過導波纜頂部的時候,由于距發射端較近,會產生一個虛假回波,可通過濾除虛假回波,來消除干擾。電磁脈沖沿導波纜向下傳播時,當信號到達被測介質表面時,回波一部分會被反射,并在回波曲線上產生一個階躍性變化。

          導波雷達信號傳播示意圖

          另外一部分信號仍然會繼續向下傳播,直到損耗在不斷發射中。液位計通過檢測出液位回波和頂部發射回波之間的時間差,根據這個時間差,經過智能化信號處理器,進行計算就可以得到液位的高度。

          從圖(b)可以看出,在空罐的時候,沒有液位就不會檢測到液位回波信號,但是頂部虛假回波同樣會存在,電磁脈沖傳輸到導波纜的底部,罐底會產生一個回波。假如罐體內有兩種不相溶的介質,由于密度不同,兩種介質會分為上下兩層。如果且這兩種介質的介電常數相差極大,那么就可以通過回波信號的不同來判斷兩種介質的界面,進而計算出兩種介質的高度以及界面的高度。由于電磁脈沖是通過導波纜向下傳播,信號衰減比較小,因而可以測量低介電常數的介質。一般情況下被測介質的相對介電常數越大,反射回來的脈沖信號就越強。也就更容易區分出虛假回波。更容易得到真實液位。比如水比甲醇更容易測量。 

          2 介質的相對介電常數對信號的影響

          介質的相對介電常數是表征介質極化的一個物理量,它是由介質本身的屬性決定的。因此,介質不同,相對介電常數也不同。被測介質的介電常數大小直接影響高頻脈沖信號的反射率。當電磁脈沖到達介質表面時,電磁波會發生反射和折射。相對介電常數越大,則反射的損耗越小,相反相對介電常數越小,則發射的損耗越大,信號衰減的越嚴重。當被測介質的電導率大于10mS/cm,則會全部反射回來,即回波信號越強。由于過小的相對介電常數會導致信號極度衰減。因而每一種導波雷達液位計都具有一項zui小相對介電常數,確保三暢雷達液位計能夠正常使用。不同公司的導波雷達液位計在結構設計上不同,對zui小相對介電常數的要求也不同。VEGA FX81 的zui小相對介電常數是 1.4,E+HFMP41 的zui小相對介電常數是 1.4 rosemount 5301 的zui小相對介電常數是 1.2

          3 浮子液位計的測量原理

          在液體中,由于物體密度小于液體密度,物體會浮在液體表面,這個物體可以被稱為浮子。在各種條件不變化的情況下,物體所受浮力是恒定的,浸入液體的體積也是恒定的。即高出液面的距離也是恒定的。當液位變化時,浮子隨著液面的變化而變化。根據阿基米德浮力定律可以算出物體高處液面的距離,繼而得出真實的液位。解決方法如下:

          根據阿基米德浮力定律

          選取一密度比較小的物體(不溶于被測介質),選用現場隨處可見的泡沫(成分聚苯乙烯,不溶于醇類),厚約 10 mm。作大小直徑為 75 mm、65 mm 的圓臺形。中間圓心開約 10 mm 的孔。為防止泡沫在運行中長期浮動磨損,取 Φ10 氣源管 20 mm 長,置于圓臺中間孔內。再截取直徑為 70 mm 的鋁皮(現場保溫隨處可見)放于圓臺之上。用以改變被測介質的液面屬性,加強回波。將三暢雷達液位計纜繩旋開,將浮子串入纜繩中,將纜繩恢復。緩慢放入導波管中。檢尺實際液位,調整偏移量,使其顯示等于實際液位。經過長時間多次檢尺測量對比,誤差在 5 mm 以內,對于一些液位控制要求不是很高的地方,有很好的借鑒意義。目前液位計已持續運行 3 年有余,一直運行良好。 

          4 結 語

          雷達液位計在化工企業應用廣泛,改造雖小,卻經濟實用。既降低了故障率,又節省了成本。通常我們只從儀表本身問題出發,而去解決問題。這次通過改變介質液面性質,來達到雷達液位計穩定運行的目的。也為我們開辟了一條新思路。

          文章資訊
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          正丁烷罐區磁浮子液位計設計及注意事項
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