E+H雷达物位计干扰回波抑制曲线的应用①

2017-11-01董合林

化工自动化及仪表 2017年8期

关键词：液位雷达曲线

董合林

(中海油福建漳州天然气有限责任公司)

E+H雷达物位计干扰回波抑制曲线的应用①

董合林

(中海油福建漳州天然气有限责任公司)

阐述雷达物位计的干扰应对措施，介绍电子技术在屏蔽虚假回波中的应用。详述E+H雷达回波和干扰抑制曲线在分析解决测量故障、优化回波质量中的应用。实践证明该方法切实有效，可以有效提高测量质量。

雷达物位计虚假回波回波质量电子干扰回波抑制储罐回波曲线

雷达(微波)物位计基于有源雷达的回波测距原理，可实现安全可靠的非接触测量，不受物料密度变化影响，有独特优势[1]，随着技术的成熟，在工业过程控制领域获得了广泛的应用，其应用故障主要为选型与安装不当，选型不当将无法正常使用，安装不当会产生严重的干扰回波，影响测量质量甚至导致测量错误。

1 雷达物位计干扰信号处理措施

安装雷达物位计时应尽量避免干扰，无法避免的，可用折射板将过强的虚假反射信号进行折射，减小虚假回波的能量密度，使传感器较容易地将虚假信号滤出。

雷达波沿程可能会遇到干扰源、物位界面等对象，多路反射会被认定为对象在较远位置。主流雷达回波处理都有独到之处，通常可查看回波曲线，回波曲线是对容器内状况的扫描映射反演绘图，即微波在传输沿程反射回波的能量图谱。盲区附近的波形、真实回波和虚假回波，以及杂散噪声信号的分布、宽度、强度及信噪比等有关测量性能的因素，都可以通过回波曲线的形式全面反映，使用户一目了然。

虚假回波的处理基于回波曲线，一般要预先记录空罐的回波，如KROHNE的空罐频谱检测记录功能。常见虚假回波处理方法有屏蔽干扰源、虚假干扰回波注册消除、多次回波抑制及设置静态/动态回波增幅置信阈值门限等方法，动态干扰的处理更困难些。

简单的屏蔽干扰会遮蔽干扰点附近的所有回波信号，带来测量盲区；设置增幅阈值，物位在穿越干扰区时，界面回波与干扰信号叠加，使回波的波峰位置(能量最强点)发生偏移，误差由此而生[2]；多次回波抑制可消除因多路反射造成的物位测量偏低的问题；利用圆极化等技术，可以分离界面回波与干扰回波，实现无效干扰回波注册，干扰回波注册配合抑制会使液位跟踪更可靠，可以很大程度上提高测量质量[3]。

2 复杂环境安装导致错误测量

某厂真空解析塔接收罐，材料SS 316L、直径1.0m、通高2.8m、操作压力2.66kPa(A)、操作温度70℃，物料为粗酐与少量轻组分(主要为DBP)，罐内结构复杂，有隔板(隔板高度1.4m)，距罐壁200mm，隔板内侧有两进料管(内径分别为40、80mm)从罐顶延伸至距罐底150mm处，液位计预留口在隔板外侧，近外侧罐壁，罐拱顶凹底，侧开φ600mm人孔。

装置工艺引进国外技术，外方原设计液位测量采用放射性液位计，考虑到安装和维护成本，改用了稳液井安装的E+H脉冲雷达Micropilot M FMR240-45E2APJAC4D，两线制、精度±3mm、圆锥天线尺寸100mm(圆锥外径95mm，标注尺寸大于物理尺寸)，稳液井内径98.3mm。

装置投用初期，雷达回波质量差，液位测量不准确。判断原因为稳液井加工不合格，且容易挂料。高频雷达能量较为集中，稳液井聚波效应弱于低频，且制作要求高。此台雷达波束角8°，测量长度3m时波束宽度0.42m，于是决定取消稳液井，拆除稳液井检查发现开孔毛刺突出。

移除稳液井后，液位测量效果大为改善，但仍存在问题，现象是液位测不到零，低液位时采出泵流量与压力已无法维持，机泵密封磨损，液位仍然指示在800mm左右，偶尔会跳变为零，HART375查看回波质量为19dB，回波强，但通过现场操作显示模块VU331查看回波曲线异常。

3 E+H雷达物位计干扰回波抑制曲线的应用

由于E+H Micropilot M FMR2XX雷达回波处理采用信号包络估值方法，故回波曲线称为包络线，不同于西门子的虚假回波抑制包络线[4](即TVT，抑制虚假回波和动态阈值曲线)。图1中的-0.01、3.16分别代表了此次绘制回波曲线的起点与终点(以仪表测量基准点为参考零点)。默认回波最强点为物位，图中的2.241m为所评定物位与参考点的距离，图中标记出了空标(即零点)、满标(即量程)和所评定界面的位置。图中的36dB为回波质量，回波质量即为信噪比，反映了物位计应用效果。脉冲雷达回波能量较低，需要动态处理更大的强度差别的回波，回波一般用分贝数表征，导波雷达与连续调频波雷达一般用回波能量毫伏值表示。图1中除最左端由仪表自身发射造成的半个波峰和一料面反射波峰外，没有多路反射波，这得益于其“首次回波因子”(First Echo Factor，FEF)功能[5]。

图1 理想回波曲线

图2显示了两条曲线，回波曲线与抑制曲线，只有幅度越过抑制曲线的回波才能被评定。Micropilot M FMR2XX能手动抑制比真实物位高(更接近顶部测量参考点)的干扰回波，并要求抑制范围最远至距真实物位0.5m处，否则抑制干扰的同时也将削弱物位信号。图2中的虚假回波强度小于物位回波，即便不做抑制，物位也能正确评定，但仍建议做电子抑制，以提高回波质量。

图2 抑制曲线的应用

接收罐物料完全排空时，DCS监控液位稳定在830mm，偶尔跳到零，VU331现场操作模块查看回波曲线如图3所示，可以看出有虚假回波P1、P2、P3，P1处干扰源大，但干扰强度稍弱于P2，于是距离雷达1.777m的P2被选定。接收罐空标设定为2.685m，满标设定为2.400m，由于表内部设置了偏移量，所以液位示值与距离之和不等于空标。(注解：E+H Micropilot M FMR2XX现场操作显示模块VU331绘制显示的回波曲线没有对横、纵坐标进行标注，但专用PC机调试软件“ToF Tool”显示的曲线更为精细，明确地把纵坐标标注为-120～0dB、横坐标标注为从零到略远于空标的距离，笔者没有此软件以及相应的通信接口硬件)。

图3 接收罐排空时的回波曲线

E+H Micropilot M FMR2XX可以通过组功能“check distance” (051)触发抑制，选项有：“distance=ok/dist.too small/manual”，当没有干扰或者干扰回波弱于物位回波时，回波曲线与图1或图2类似，可以选择“distance=ok”，此时测量值不改变，但回波质量提升。

接收罐抑制时首先选择了“dist.too small”，抑制范围终止在距空标0.5m(即距离测量参考点dist.=2.185m)处，液位仍然测不到零，于是选择了“manual”，最终，输入抑制间距2.6m后，液位方测到零。回波曲线和抑制曲线如图4所示。

图4 空接收罐的回波与抑制曲线

液位投用后，液位趋势正确，对照外贴高低超声波液位开关，液位测量值为220mm和1 100mm时开关动作，与液位开关的安装高度相符，做抑制曲线很大程度上改善了测量。抑制距离接近于空标，但仍然能够正确测量的原因是液面反射率较高。同时，液位出现了最高只能测到1 927mm的问题——大约在虚假回波P1位置，原因是更高液位的回波不能突破抑制曲线，注意图4中抑制曲线与回波曲线的形状并不完全相同，即此款雷达的增幅阈值并不恒定。

除了预设定抑制曲线外，E+H Micropilot M FMR2XX还有与抑制曲线作用类似的浮动均线，即对回波幅值取平均的一条曲线，随容器内反射特性(包络线)的变化而改变，可随容器内的动态干扰(如挂料和湍动的液面)自整定其波形，用以抑制小的动态干扰，曲线以下的信号被忽略，越过线的最强回波将被评定，实践中发现其作用不明显。