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雷达、导波雷达和超声波液位计的应用和选型分析
点击次数:1268 发布时间:2015-12-18

  火力发电厂中使用的液位测量仪表种类众多,从测量原理上分, 有连通器式、 差压式、 电容式、 反射式等。 本文针对采用波的原理进行测量的反射式液位计, 即雷达液位计、 导波雷达液位计和超声波液位计, 从测量原理、 在火力发电厂的应用及选型、 仪表安装等方面进行对比分析, 为火力发电厂中此3种液位计的应用选型提供选型建议。
1、超声波液位计
1. 1 测量原理
超声波液位计是运用声波在不同介质中传播时的衰减、 穿透能力和声阻抗不同的性质, 在被测介质界面上产生反射和折射的原理工作的, 反射回波被探头接收并转换成电信号, 所测距离与传播时间成正比, 测量原理图如图1所示。
探头与介质液面间距离D 和声波传输时间t的关系为: D = c· t/2;
介质液位: L= E-D = E-c· t/2。

注: E为空罐高度 (测量零点) ; F为介质满灌高度; L为介质实际液位; BD 为盲区。
此外, 由于超声波液位计发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度, 且发射完超声波后换能器存在余振, 期间不能检测反射回波, 造成探头表面下的一小段区域内 (图1的BD 区域) 的反射波与发射波重迭, 无法识别, 这一区域称为测量盲区。 应将介质满罐高度F设置在盲区BD之外。
1. 2 超声波液位计技术特点
(1) 非接触式测量。 超声波换能器安装在介质上方, 不与被测介质接触, 可对腐蚀性、 粘稠或有毒液体进行测量, 免维护, 使用周期长。
(2) 适应性强, 应用范围广 , 不受介质密度、 介电常数、 导电性的影响, 通用性好。
(3) 无机械可动部位, 无磨损, 安装拆卸方便,换能器内压电元件以声频振动, 振幅小, 稳定性强,寿命长。
(4) 具有价格优势, 常温常压下, 超声波液位计是物料液位测量的选择。
1. 3 超声波液位计的选型
(1) 量程的选择: 根据实际量程选择相应的液位计, 若被测介质波动剧烈, 应选择大一级别量程的型号。 此外, 需注意液位计盲区, 被测介质的液位应避免处于超声波液位计盲区内。
(2) 接线形式的选择: 根据工作方式的不同分为两线制、 四线制, 两线制超声波液位计其供电(D C24V) 与信号输出 (4~20m A) 共用一个回路。
四线制超声波液位计其供电 (D C24V或AC220V)与信号输出 (4~20m A) 回路分离, 优势是发射功率大, 同时能够提供高、 低位继电器输出, 增加可选功能。
(3) 探头的选择: 根据被测介质的性质选择合适的探头, 如腐蚀性介质应选用防腐探头。
(4) 一体式或分体式的选择: 正常情况下一般选用一体式液位计; 如需要继电器开关输出来控制其他电器机构, 需要在第二现场显示则选择分体式。
(5) 不宜选用超声波液位计的场合。
(a) 被测介质为挥发性液体或含有大量水汽、粉尘、 液面上有泡沫等, 不宜选用超声波液位计。 因为声波遇到这些物质时会产生散射和反射, 这些物质也会吸收声波造成声波的衰减, 造成测量误差、虚假测量甚至探头无法工作。
(b) 压力过高对超声波的声速抑制作用增强, 影响测量精度, 甚至无法测量。 介质压力超过0. 2M Pa时, 不宜选用超声波液位计。
(c) 负压情况下, 不宜选用超声波液位计。 因为超声波传播需要空气媒介, 负压意味着空气稀薄,不利于超声波传播, 引起测量误差, 且声波衰减增大, 导致测量量程减小甚至不能测量。
(c) 对声波吸收能力强的介质, 不宜选用超声波液位计测量其液位。
(d) 被测介质的温度、 压力变化较大时, 如果没有相应校正, 会产生较大误差, 不宜采用超声波液位计。
2、雷达液位计
2. 1 测量原理
雷达液位计是一种基于微波技术的非接触式测量仪器。 电磁波与可见光物理性质相似, 传播不需要介质, 可穿透蒸汽、 粉尘等干扰源, 遇到障碍物易于被反射, 被测介质的导电性越好或介电常数越大, 回波信号效果就越好。 雷达液位计主要由发射和接收装置、 信号处理器、 天线、 显示等几部分组成。 高频振荡器产生的高频电磁波经天线发射, 波遇到物料表面反射后再由天线接收, 经信号处理器检测发射波及回波的时差或者频率差, 计算出液面高度。 测量原理图如图2所示。

注: E为空罐高度 (测量零点) ; F为介质满灌高度; L为介质实际液位
目前, 雷达液位计分为两大类, 一类为脉冲波式雷达液位计, 发射的电磁波为固定频率, 检测信号为电磁波的行程时间t, 液位计与介质液面间距离D 与行程时间t的关系为: D = c· t/2; 介质液位L= E-D = E-c· t/2。
另一类为调频连续波式雷达液位计, 发射的电磁波为等幅调频波, 频率随时间呈线性增加, 单位时间频率增量为δf, 检测信号为发射波和回波的频率差Δf, 电磁波单程时间为t 1 =Δf/ (2· δf) , 液面高度L 1 = E 1 -c· Δf/ (2· δf) 。 其中, c代表电磁波速度。
2. 2 雷达液位计技术特点
(1) 非接触式测量, 不受被测介质物理化学性质影响, 可用于液体、 乳状体、 熔融体的液位测量。
(2) 电磁波传播时不需要介质, 不需考虑温度、 压力、 粉尘、 被测介质的挥发性对测量的影响。
(3) 一体化设计, 无机械可动部件, 无磨损, 安装使用简单, 可靠性好, 使用寿命长。
(4) 适用于介电常数大于1. 5的介质, 几乎能用于所有液体的液位测量。
(5) 无测量盲区, 测量范围大、 精度高, 可用于计量仪表。
2. 3 雷达液位计的选型
雷达液位计微波的聚焦和灵敏度都是由天线的外形决定的, 液位计可适应温度和压力的范围也与天线的材料和密封结构有关, 因此雷达液位计选型时天线的选择zui为重要。 天线型式主要有喇叭口
型、 抛物面型、 法兰下置型、 杆式。不同类型的天线在不同工况和使用中各有侧重, 以下为几类天线的特点:
(1) 喇叭口天线: 聚焦特性强, 可在高温高压条件下工作, 适用于绝大多数场合, 但不适合腐蚀介质的测量。 此类型天线的发射角与喇叭口直径及频率有关, 在相同频率下喇叭口直径越大, 波束角越小。 另外, 高频雷达能量高, 波束角小, 抗干扰能力强, 适合于长径比大的料仓测量, 固体料位的测量一般选用高频雷达料位计, 测量范围可达到70m , 甚至可到100m 。 低频雷达频率低, 能量分散,抗粉尘能力弱, 在固体料位测量时, 测量范围不超过30m 。
(2) 抛物面天线: 波束角zui小 (4° 发射角) , 波束范围小, 电磁波能量集中, 量程较大, 测量精度高(±1m m ) , 能实现对介电常数小的介质的测量。 但抛物面天线尺寸较大, 安装使用不方便。 主要用于计量用途的液位测量。
(3) 法兰下置型天线: 用于强腐蚀性介质、 高温介质的测量及不适于顶部安装的测量环境。
(4) 杆式天线: 为了避免腐蚀性介质如盐酸等的挥发造成对天线的腐蚀, 将天线做成杆式, 使接触面积zui小化, 并且天线杆外层由耐腐蚀性材料制成, 常用于腐蚀性介质的测量。 但此类天线波束角较大, 工况复杂的条件下干扰回波多, 测量精度低。
3、导波雷达液位计
3. 1 测量原理
导波雷达液位计结合时域反射原理 (TD R) 、等效时间采样和现代的功率回路技术, 发射高频电磁脉冲沿导波杆传播, 遇到被测物料表面后, 反射形成回波并由天线接收, 由超高速计时电路测量出电磁脉冲波的传播时间, 根据TO F (Tim e ofFlight行程时间) 原理, 计算出被测介质的液位,属于接触式测量方式。 液位计主要包括电子表头和导波杆2个部分。 测量原理图如图3所示。 介质液位L= E- (c· t/2) 。 其中, c为电磁波速度; t为电磁波从发射到回收经历的时间。
高频电磁波到达物料表面形成回波后, 信号会减弱, 信号强度与物料的介电常数以及导电性成正比, 介电常数越大、 导电性越好, 回波信号越强。 回波信号是影响导波雷达液位计测量准确性的一个重要因素。 一些品牌的产品, 采取底部回波检测技术来保证不失波, 并采取一些误差补偿措施如气相误差补偿等, 提高测量精度。

注: E为空罐高度 (测量零点) ; F为介质满灌高度; L为介质实际液位。
3. 2 导波雷达液位计技术特点
导波雷达液位计主要具有以下优点:
(1) 导波雷达液位计的电磁波沿导体传播, 衰减程度小, 能耗低, 且脉冲信号能量集中, 不扩散,抗干扰能力强, 测量准确。
(2) 适用于较低介电常数介质的液位测量, 介电常数的大小只影响回波幅度大小, 不影响测量结果。
(3) 雾气、 泡沫等引起的散杂信号对测量无影响。 对于有明显的挥发性气体、 泡沫、 液位波动、 挂壁和结垢、 鼓泡或沸腾、 超低液位、 介电常数或比重变化的介质场合, 均能有效进行测量。
(4) 可用于介电常数相差很大的两种液体界面的测量, 如油、 水界面。
(5) 测量不受介质密度、 导电率和温度的影响, 适用于高温高压工况下的测量。
3. 3 导波雷达液位计的选型
导波雷达液位计探头的配置决定了一些基本性能, 不同的探头适用不同的测量对象, 因此选型时探头的选择十分重要。 根据探头结构的不同可分为3种类型: 同轴杆式、 双杆式和单杆式探头。
(1) 同轴杆式探头: 应用zui广泛的探头型式,适用于清洁的低粘度液体, 被测介质介电常数ε可低至1. 4, 并且可耐高温高压, 是所有导波杆中性能的。 但由于其敏感的 “封闭” 电磁场设计, 使同轴式探头在挂料和结垢的应用场合容易产生测量误差, 因此不适用于挂料和结垢、 泡沫场合介质液(料) 位测量。
(2) 双杆式探头: 杆为硬杆或钢缆。 适用于粘度较大且有少量挂料的工况, 可测量液体或散状固体。 其平行的导体设计方案不如同轴式设计方案灵敏度高, 被测介质介电常数须ε>2. 0。 “开放” 的电磁场设计能够更的测量易挂料和结垢的介质,膜状的挂料对变送器的性能影响较小。 但在两杆之间物料搭桥或在隔离件上结垢, 都会导致测量的反常, 应避免。 并且向外扩散的电磁场使对靠近它的物体的近场效应更加敏感。
(3) 单杆式探头: 杆为硬杆或钢缆。 结构zui简单的探头, 是3种探头型式中信号传输效率zui低的一种, 被测介质介电常数须ε>10。 是zui “开放” 的电磁场设计, zui能忽视挂料和结垢, 也是受物体接近程度影响zui大的探头。 适用于粘度较大、 泡沫、 挂料和结垢的工况, 可测量液体或散状固体。
4、三种液位计在火力发电厂的应用
4. 1 火力发电厂液位计的选型
在火力发电厂环境中, 3种液位计的应用选型总结如下:
(1) 超声波液位计主要应用于各种开放式或常压的箱、 罐容器及水池的液位测量, 如开/闭式水箱、 主油箱、 各种加药溶液箱、 水池的液位。
(2) 雷达液位计几乎能用于所有液体的液位测量。 考虑测量的稳定性和准确性, 雷达液位计多用于大量程液位的燃油油罐、 除盐水箱、 酸碱储罐的液位测量, 以及固体料位如原煤仓料位、 石灰石粉仓料位和灰库连续料位的测量。
(3) 在罐内有搅拌、 介质波动大的工况下, 或者小型罐体内的物位测量, 以及低介电常数介质的物位测量, 应选用导波雷达液位计。 电厂中导波雷达液位计主要应用于高压加热器、 低压加热器、 凝汽器、 除氧器等的液位测量, 也可以用于小机油箱、EH 油箱等的油位测量。

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