雷达物位计在粒碱料位测量中的应用

王 斌, 衣 静

(山东滨化集团东瑞化工有限责任公司，山东 滨州 256619)

雷达物位计在粒碱料位测量中的应用

王 斌, 衣 静

(山东滨化集团东瑞化工有限责任公司，山东 滨州 256619)

主要介绍了雷达物位计的测量原理及空谱测量技术，列举雷达物位计在粒碱料位测量的现场实际应用，了解其主要特点，并总结了雷达物位计在设计安装中的注意事项以及常见的故障处理方法。

雷达物位计；空谱测量技术；二线制通讯；介电常数

随着化工生产的自动化程度的提高,控制系统现场仪表的应用越来越广泛。仪表进入了一个新的发展时期,新型仪表不断出现。雷达液位计就是近几年开始应用的新型测量仪表，在石油、化工等行业得到广泛应用,尤其适用于各种高温、高压、强腐蚀的恶劣环境。

山东滨化集团东瑞化工有限责任公司的10万吨年粒碱系统装置拥有两套成品粒碱料仓。粒碱即粒状烧碱，是固体烧碱(氢氧化钠)产品的一种，放置在空气中会吸收空气中的水分发生潮解，与二氧化碳反应发生变质，并且在堆积的过程中会产生大量的碱尘，另外粒碱具有较强的腐蚀性。根据粒碱的以上物理特性，经过多方考证和咨询，我公司决定使用由德国思科公司推出的德尔塔雷达物位计来对粒碱料仓的料位进行实时监控。德尔塔雷达(DeltaRadar)物位计大量增加了智能化设计，与市场中的大多数产品相比，具有许多突出的他点，例如：全范围的智能化处理、更强的信号与干扰信号辨别能力、小信号自动增益的处理能力；通过双端口技术、先进的表面跟踪能力以及抗冷凝和防尘天线，提供最佳性能和正常运行时间；具备多种过程连接件、材质、天线和高低频率型号，在应用方面提供高灵活性；可以用于容器中有各种干扰物体，介质中有泡沫、有粉尘、液面有明显的颤抖；其测量原理和精度不受介质密度、温度、压力及其介质腐蚀性等工艺条件的影响，从而该产品有广泛的适应性和高稳定性。

1 雷达物位计的测量原理

图1 测量原理

德尔塔雷达工作频段为24G-26GHz(K段)，是一种调频连续波(FMCW)原理的非接触式雷达，FMCW雷达采用了高频电磁波信号(24G-26GHz)进行测量，内部电路在2GHz(24G-26GHz)范围进行扫频(线性递增)，生成频率与距离的关系，在距离为1米时，频率差有300Hz左右，1毫米时有0.3Hz；如果以时间为基准，1米距离的时间差只有3.3纳秒，1毫米时为3.3皮秒，所以无法以时间为基准，但通过对频率差的处理(傅里叶变换)，可以得到不同发射物质(距离)的频谱，由罐高减去此距离就可以得到液位和相关的参数。问题是雷达的发射能量有限(环境污染)和在介质空间中很容易被吸收，同时在发射路径中遇到任何物质都会有不同的反射，所以在信噪处理、反射角度控制、安装位置选择都需要考虑。在经过相当时间摸索和运用案例总结后，德尔塔雷达(DeltaRadar)积累了许多经验和教训，在软件和硬件做了许多调整和修改后，在抗干扰等方面，具备了很好的技术和先进特点。测量原理见图1。

2 空谱测量技术

24GHz频率调制连续波是以2GHz频率为单位的连续扫频，通过不同规格的天线向外发射，由于频率的提高，带宽加大，使得同等发射角度下，天线的尺寸可大大减小，所需要的功耗也大大降低，可以保证更大的传播距离，更高的精度；大家知道，由于频率的提高，同时会带来更多的反射(周围的所有物品都会引起反射)，在大量的干扰中无法确认有效的信号。德尔塔雷达中使用了空频谱分析技术，在初始设置时，可以对空罐(或者部分空罐时)进行频谱分析，将各种干扰源或固定不移动(变化)的物体进行频谱记录，相当于先记录各种干扰源的频谱；在进行正常测量时，将包括各种干扰源和被测物位的频谱全部检测出来(功率谱)，然后结合空频谱进行相关分析，生成相关谱，将各种固定干扰从测量信号中删除，只剩下所需要物位的谱。此方法大大提高了抗干扰能力和对现场各种工况的适应能力。可以应用于有搅拌、晃动或罐内有各种管道等障碍物的情况，是许多同类产品所不具备的。

3 雷达物位计在粒碱料位测量中的实际应用

经过4年多的使用，我公司粒碱料仓使用的德尔塔雷达料位计运行情况相当稳定，且指示准确，既节省了仪表维护费用，又有效保障了设备和人生安全，提高了物位指示的准确性，保障了工艺正常生产。粒碱料仓上半部分位移圆柱体，而下半部分是一锥体的形状(如料仓结构示意图见图2)。

图2 料仓结构示意图

下料口位于设备的一侧，将雷达液位计安装在料仓锥形体正上方，将锥形体底部向上的一段距离设置为测量死区，将其不作为料位的测量数值，这样固体碱在料仓的一侧会不断堆积，当料堆积到一定程度时，就会大量的向另一侧塌方，料位也会突然地大幅度变化。由于德尔塔雷达物位计是工作频段为24G-26GHz的一种调频连续波(FMCW)原理的非接触式雷达，它以2GHz频率为单位的连续扫描，通过天线向外发射，由于频率的提高，带宽加大，使得同等发射角度下，天线的尺寸可大大减小，所需要的功耗大大降低可以保证更大的传输距离，更高的精度。由于频率的提高，同时会带来更多的反射，以上粒碱料仓中料位的不规则变化性都会引起反射，德尔塔雷达物位计使用了空频谱分析技术，在初始设置时对料仓进行频谱分析，将各种干扰源或变化的物体进行频谱记录，相当于先记录各种干扰源的频谱，在进行正常测量时，将包括各种干扰源和被测物位的频谱全部检测出来，然后结合空频谱进行相关分析，生成相关谱，将各种固定干扰从测量信号中删除，只剩下所需要物位的谱，此方法大大提高了抗干扰能力和对现场各种工况的适应能力，可以应用于以上料位不规则变化的工况，这是许多同类产品所不具备的。

4 雷达物位计仪表特点

4.1 全中文显示界面

a.中文触摸屏人机界面，160x160点阵，9行字符，8层灰度，方便现场调试安装；

b.表头现场显示有多种内容(液位、距离、体积、百分比等)可供选择；同时有多种方式(罐体图、棒状图、波形图等)直观显示；

c.全中文显示，包括正常运行参数、各层的组态的参数、在线帮助和故障出错提示，全部为中文界面。

d.故障/测量错误中文列表：如遇到测量出错或者参数设置错误，在屏幕上将会出现中文的在线错误提示，会显示出错原因和时间，对于现场故障检测和排除非常有帮助；

4.2 二线制通讯仪表

a.二线制现场仪表(4～20Ma+HART，14～30VDC供电)：尽管有大屏幕的耗能，还支持足够的功率来保证40米长的测量范围；

b.双输出：在液位、距离、体积、质量、界面等中，可以任意选择其中2项同时输出，不需要通过信号分配器；

c.电源中加有特别的滤波处理，可以消除来自各种电源网的噪音和干扰；

4.3 外壳

a.外部结构为铝合金材质，按照隔爆要求设计，无需特别要求；

b.拥有电源部分和电子模块部分相互独立的双腔式结构，接线安全和容易；可以满足本安和防爆等特殊场合的要求；

4.4 天线

a.多种天线规格，DN40，DN50、DN80和更大(DN100，……)；

b.天线加长型，最长可以加长到1米，以满足不同罐体安装、不同测量范围和不同介质的需要；

c.发射角度比一般产品要小： 2.5°(DN100,单边),5°(DN80)，10°(DN50)和15°(DN40),1米时的反射半径只有130毫米(DN80)

d.天线的材料可以是316L(标准)或者哈氏合金(可选)

4.5 超低介电常数的测量

a.由于雷达的反射率没有导波雷达强，通常产品不能测量介电常数比较小(<=1.5)的介质，对于这类产品，往往干扰信号回波的幅值要比物位的回波幅值要大，所以罐底跟踪技术就尤为重要。

b.直接测量可以达到1.5(介电常数)，罐底跟踪模式可测量到1.1介质，几乎大多数介质物位都可以测量(总体讲，比导波雷达效果要差)；

c.被测量介质的温度、压力、密度、粘度等对测量没有影响，只与介电常数相对值有关；

4.6 独特的空频谱设置

功率谱、空频谱、相关功率谱见图3。

图3 功率谱、空频谱、相关功率谱

功率谱：雷达接收到的所有回波的频谱；空频谱：对罐内不变化(移动)的固定的干扰信号进行的频谱分析；相关谱：经过二个谱互相关计算后，去除各种已经纪录的干扰信号，进而得到真实的液/物位 ；

使用该技术后，对于容器中有各种干扰物体，有泡沫，有蒸汽介于产品中间，有颤抖的表明，都可以进行有效工作；使得更加可靠和广泛的适应性。

5 雷达物位计的安装注意事项

(1)安装雷达物位计时，应避开进料口，进料帘和漩涡，因为液体在注入时会产生幅值比被测液位反射的有效回波大得多的虚假回波。同时，漩涡引起的不规则液位会对微波信号产生散射，从而引起有效信号的衰减，所以应避开他们。

(2)测量物位的场合，宜垂直向下安装。雷达的波束中心距容器壁的距离应大于由束射角、测量范围计算出来的最低料位处的波束半径。

(3)对于有搅拌器的容器，雷达液位计的安装位置不要在搅拌器附近，因为搅拌时会产生不规则的漩涡，它会造成雷达信号的衰减。同时，搅拌器的叶片也会对微波信号造成虚假的回波，特别是被测物体的相对介电常数较小和低液位时，搅拌器所造成的影响更为严重。

(4)当雷达液位计用于测量腐蚀性和易结晶的物体液位时，为了防止介质对传感器的影响，制造厂一般都采用带有聚四氟乙烯测量窗的分离法兰式结构。应用这些部件的环境温度不能太高，聚四氟乙烯的最高温度为200摄氏度。为了避免高温对雷达天线的影响，也为了防止膜片上存在的结晶物影响仪表正常工作，要求法兰端面和最高液位之间至少有100-800mm的安全距离。

6 常见故障及处理方法

仪表提供二类故障：出错(F，测量值不对)和警告(W)；

各有三种状态：测量状态、信号状态和操作状态；

测量状态：主要是液位信号丢失；液位高/低；

信号状态：这样是参考脉冲设置问题，液位脉冲增益不对，门 槛设置不合适；

操作状态：参数设置超出给定的范围。

常见故障及处理方法见表2。

表2 常见故障及处理方法

[1] 宝 祥，王桂云，施引萱.仪表维修工[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 政 学.化工测量及仪表[M].2版.北京：化学工业出版社，1992.

[3] 嘉 谦.仪表工手册[M].2版. 北京：化学工业出版社，2003.

[4] 蕴 端.化工自动化及仪表[M].上海：上海交通大学出版社，1987.

(本文文献格式：王 斌, 衣 静.雷达物位计在粒碱料位测量中的应用[J].山东化工，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—)，本科学历，助理工程师，2005年毕业于青岛科技大学自动化专业，现任滨化集团东瑞公司电仪车间技术员。

TQ056.1

A

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