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西門子雷達(dá)物位計(jì)在過(guò)程控制工業(yè)中的應(yīng)用
閱讀：1581 發(fā)布時(shí)間：2016-8-16 摘要：西門子雷達(dá)物位計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn),，近年來(lái)應(yīng)用廣泛。本文簡(jiǎn)單介紹了雷達(dá)物位計(jì)的工作原理及應(yīng)用的注意事項(xiàng),。
1.概述
西門子雷達(dá)物位計(jì)進(jìn)入市場(chǎng),，由于測(cè)量精度高、耐高溫高壓的能力強(qiáng),，以及采用非接觸的測(cè)量方式,，成為過(guò)程控制工業(yè)罐區(qū)物位監(jiān)測(cè)的儀表，受到廣大技術(shù)人員的歡迎,。
在公司的生產(chǎn)車間,，物位作為重要的過(guò)程參數(shù)已成為判斷生產(chǎn)過(guò)程的效率、工作狀況及經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo),，物位測(cè)量?jī)x表在連續(xù)與離散控制系統(tǒng)中的作用日趨突出,，業(yè)主對(duì)測(cè)量?jī)x表的測(cè)量、穩(wěn)定可靠,、多功能,、智能化的要求也越來(lái)越高。雷達(dá)物位計(jì)是近年逐步在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的先進(jìn)測(cè)量技術(shù),。在使用過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題,，主要是設(shè)計(jì)選型失誤。由于雷達(dá)物位計(jì)種類和品牌較多,，如果在設(shè)計(jì)階段不能結(jié)合工礦條件選擇適宜的產(chǎn)品,，就可能造成雷達(dá)物位計(jì)無(wú)法正常使用。
2．雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量原理與分類
2.1 測(cè)量原理
西門子雷達(dá)物位計(jì)主要由雷達(dá)探測(cè)器（一次表）和雷達(dá)顯示儀（二次表）組成,。雷達(dá)探測(cè)器主要由主體,、連接法蘭和天線三部分組成。天線分為喇叭型和直接與波導(dǎo)管連接兩種形式。雷達(dá)顯示儀提供連接上位計(jì)算機(jī)的RS-485接口,，可以傳遞物位等參數(shù)及報(bào)警信,，亦可通過(guò)上位計(jì)算機(jī)對(duì)智能雷達(dá)顯示儀進(jìn)行控制。
雷達(dá)探測(cè)器采用的是線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制的連續(xù)波,，當(dāng)回波被天線接收到時(shí),，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離,。FMCW方式測(cè)量線路較復(fù)雜,，從而測(cè)量度較高，同時(shí)干擾回波也較易去除,，一般用于較的測(cè)量方案,。雷達(dá)探測(cè)器的主體中包括微波信源、信處理部分,。工作過(guò)程中，微波信源輸出一個(gè)波幅恒定的線性調(diào)頻的微波信,，其產(chǎn)生的頻率輸出：發(fā)射頻率隨時(shí)間線性增加,，增加的斜率為k，當(dāng)發(fā)射出去的連續(xù)波遇到液面發(fā)射時(shí),，發(fā)射回來(lái)的信頻率如圖1中點(diǎn)劃線所示,，它比發(fā)射信滯后了一定時(shí)間τ。
根據(jù)微波傳播原理知道：
τ＝2R/C （1）
式中C是微波在空間中的傳播速度3×108km/s,，R是液面距雷達(dá)物位儀的距離,。
由于回波信頻率的滯后，使得反射頻率與發(fā)射信頻率之間的差頻為：
f=kτ （2）
將以上兩式合并后可以得到：
R=C×f/2k
顯然R與f是成正比的,，反射液面離物位儀的距離越遠(yuǎn)所產(chǎn)生的差頻頻率f越大,，因此可計(jì)算天線到反射面的距離。
信處理部分則對(duì)回波信與發(fā)射信的混合信進(jìn)行處理,，通過(guò)測(cè)量混合信頻譜,，用快速傅立葉變換（FFT）來(lái)計(jì)算混合信，從中對(duì)混合信頻譜進(jìn)行分析,，排除掉干擾信,，然后確定天線到反射界面的距離，從而完成測(cè)量,。
2.2 優(yōu)點(diǎn)特性
雷達(dá)物位計(jì)采用非接觸式測(cè)量方法,。目前較成熟的非接觸測(cè)量技術(shù)有超聲波、核輻射和微波,。而在化工,、石化等過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，由于被測(cè)介質(zhì)普遍存在高溫、高壓,、腐蝕,、揮發(fā)、冷凝等復(fù)雜工況,，且對(duì)測(cè)量?jī)x表有防爆要求,。相比與超聲波，微波傳播的自身特點(diǎn)決定了雷達(dá)物位計(jì)的使用優(yōu)勢(shì)：
1) 定向傳播,。
2) 準(zhǔn)光學(xué)特性,。
3) 傳輸特性好。
4) 介質(zhì)對(duì)微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例,。
由其自身特性決定,，雷達(dá)物位計(jì)在使用上具有以下優(yōu)勢(shì)：
1) 連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量：由于雷達(dá)物位計(jì)不與被測(cè)介質(zhì)接觸，且受溫度,、壓力,、氣體等影響非常小。
2) 維護(hù)方便,，操作簡(jiǎn)單：雷達(dá)物位計(jì)具有故障報(bào)警及自診斷功能,。
3) 適用范圍廣：非接觸式測(cè)量，方向性好,，傳輸損耗小,，可測(cè)介質(zhì)多。
4) 安裝簡(jiǎn)單：在各行業(yè)應(yīng)用中,，雷達(dá)物位計(jì)可直接安裝到儲(chǔ)罐頂部,，安裝十分簡(jiǎn)單。
雷達(dá)物位計(jì)通常分為脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW）兩種,。脈沖雷達(dá)的工作模式與超聲物位計(jì)相似:天線周期地發(fā)射微波脈沖,，并接收物料面回波，同時(shí)對(duì)回波信進(jìn)行分析處理,，確認(rèn)有效回波,，據(jù)之計(jì)算物位。線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制的連續(xù)波,，當(dāng)回波被天線接收到時(shí),，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離,。E+H公司的雷達(dá)物位計(jì)基本采用脈沖雷達(dá)原理,。西門子公司LR400系列采用調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)原理，LR300系列采用脈沖雷達(dá)原理,。
美國(guó)Madshen品牌雷達(dá)液位計(jì)
2.3 特性分類
按發(fā)射雷達(dá)波的頻率分,，可分為高頻雷達(dá)和低頻雷達(dá),。高頻雷達(dá)發(fā)射的20GHz以上的高頻微波，根據(jù)波的特性：速度=波長(zhǎng)*頻率,，我們可以得知24GHz高頻的微波的波長(zhǎng)較其他頻段的雷達(dá)波的波長(zhǎng)要短的多,。一般的講，固體料面的形狀是傾斜而且粗糙的,，較小的波長(zhǎng)可以zui大程度上保證發(fā)射出去的雷達(dá)波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達(dá)探頭,。因而高頻雷達(dá)主要應(yīng)用于固體介質(zhì)和大量程場(chǎng)合的測(cè)量。低頻雷達(dá)發(fā)射微波頻率在100MHZ~6MHZ,，主要應(yīng)用于液體介質(zhì)和小量程場(chǎng)合的測(cè)量,。
按天線的形式分，可分為普通雷達(dá)和導(dǎo)波雷達(dá),。普通雷達(dá)發(fā)射的微波通過(guò)空間傳播,。導(dǎo)波雷達(dá)則是通過(guò)波導(dǎo)體傳導(dǎo)來(lái)發(fā)射和接收電磁波的物位測(cè)量?jī)x表。
導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量原理的基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性,，該原理用于物位測(cè)量時(shí),，微波發(fā)生器每秒中產(chǎn)生20萬(wàn)個(gè)能量脈沖并發(fā)送入波導(dǎo)體，波導(dǎo)體與液體表面的接觸時(shí),，由于波導(dǎo)體在氣體中和液體中的導(dǎo)電性能大不相同,，這種波導(dǎo)體導(dǎo)電性的改變使波導(dǎo)體的阻抗發(fā)生聚燃變化，從而產(chǎn)生一個(gè)物位反射原始脈沖,。
3．雷達(dá)物位計(jì)使用的注意事項(xiàng)
3.1 介電常數(shù)的影響
低介電常數(shù)和變介電常數(shù)的被測(cè)介質(zhì)，優(yōu)選導(dǎo)波雷達(dá),。低介電常數(shù)液體介質(zhì)反射信弱,，信衰減嚴(yán)重，物位波動(dòng)和泡沫散射引起信減弱,，罐內(nèi)障礙物反射引起虛假信,，為此就需要發(fā)射較強(qiáng)的電磁波信，并采用功能強(qiáng)的微處理器進(jìn)行復(fù)雜的信處理,。這就使得常規(guī)交流供電雷達(dá)物位計(jì)價(jià)格非常昂貴,，但仍難以較好的解決在上述條件下的物位測(cè)量問(wèn)題。導(dǎo)波雷達(dá)和常規(guī)雷達(dá)一樣,，采用傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量介質(zhì)物位,，信自烴類[介電常數(shù)2~3]液體表面或自水[介電常數(shù)80]面反射回傳的時(shí)間一樣的，不同的只是信幅度[強(qiáng)度]的差別,。普通雷達(dá)須考慮介質(zhì)的影響,，比較難辯識(shí)返回的各種信，從雜散信中檢出真正的物位信,，而導(dǎo)波雷達(dá)僅需測(cè)量電磁波的傳輸時(shí)間即可,，無(wú)需信的處理和辨別,。
3.2 固體物料測(cè)量
對(duì)于粉狀物料，可以選擇纜式導(dǎo)波雷達(dá),。由于微波在鋼纜中傳輸,，物料在輸送過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響。閃速爐的精礦,、石英,、粉煤均采用E+H公司的FMP40系列的纜式導(dǎo)波雷達(dá)，測(cè)量效果良好,。對(duì)于顆粒狀或塊狀物料,，須選用高頻雷達(dá)物位計(jì)。而且微波的發(fā)射角愈小愈好,。因?yàn)槲⒉ǖ念l率越高,，微波的波長(zhǎng)越短，保證發(fā)射出去的雷達(dá)波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達(dá)探頭,，發(fā)射角愈小,，形成雜波和漫發(fā)射的概率就越小。
3.3 液體,、物位的測(cè)量
對(duì)于液面相對(duì)平穩(wěn)的罐體,，且被測(cè)液體的介電常數(shù)較高，可以選擇普通雷達(dá)物位計(jì),。對(duì)于液面波動(dòng)大,、或帶有攪拌的罐體，或被測(cè)液體的介電常數(shù)較低,，應(yīng)優(yōu)選導(dǎo)波雷達(dá),。因?yàn)閷?dǎo)波管對(duì)液面有整型作用，且導(dǎo)波雷達(dá)的微波反射不易受環(huán)境條件變化的影響,。被測(cè)液體的介電常數(shù)和密度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響,。對(duì)于被測(cè)液體的粘度≥500cst，且液體粘附性較強(qiáng)的情況,，不能選擇導(dǎo)波管方式測(cè)量,，因?yàn)檎掣胶徒Y(jié)晶會(huì)堵死導(dǎo)波管。從而形成虛假物位,?？梢赃x擇導(dǎo)波桿方式來(lái)測(cè)量。當(dāng)介質(zhì)在探頭上的涂污對(duì)測(cè)量物位的影響可分為兩種：膜狀涂污和橋接,。膜狀涂污是在物位降低時(shí),，高粘液體或輕油漿在探頭上形成的一種覆蓋層。由于這種涂污在探頭上涂層均勻,，因此對(duì)測(cè)量基本無(wú)影響,；但橋接性涂污的形成卻能導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差,，當(dāng)塊狀或條狀介質(zhì)污垢粘結(jié)于波導(dǎo)體上或橋接于兩個(gè)波導(dǎo)體之間時(shí)，就會(huì)在該點(diǎn)測(cè)得虛假物位,。
3.4 雷達(dá)物位計(jì)的基本設(shè)定
1) 根據(jù)物位計(jì)測(cè)量?jī)?chǔ)罐的形狀,，設(shè)定儲(chǔ)罐特性。
2) 根據(jù)檢測(cè)介質(zhì)的特性設(shè)定介電常數(shù),。
3) 在過(guò)程條件一項(xiàng)選擇所測(cè)介質(zhì)的過(guò)程變化情況,，如果是桿式的雷達(dá)物位計(jì)，還應(yīng)該設(shè)定探頭底部的接觸情況,。
4) 接下來(lái)按照工藝要求設(shè)定物位計(jì)的空標(biāo)和滿標(biāo)值,，如果是導(dǎo)波管的還應(yīng)該設(shè)定導(dǎo)波管的直徑。
5) 根據(jù)設(shè)定的空標(biāo)值做全程抑制,。
4．結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái),，中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，石油,、化工,、醫(yī)藥、食品等過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域?qū)走_(dá)物位計(jì)的需求也將越來(lái)越大,。相信雷達(dá)物位計(jì)將會(huì)有更好的明天,，我們將不斷提高現(xiàn)有雷達(dá)物位計(jì)技術(shù)水平和開(kāi)發(fā)新型的物位計(jì)，為用戶提供更好的服務(wù),。Madshen品牌具有美國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)雷達(dá)物位計(jì)的面世,，為中國(guó)用戶提供了更大的選擇空間，也為他們優(yōu)化成本,、合理配置資源提供了更大的方便,。