西門子導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)在鋼鐵廠中的應(yīng)用
1. 概述
在科技日新月異的今天,物位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)從最初的重錘、投尺等傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)量方式發(fā)展為包含雷達(dá)、核輻射等高技術(shù)含量的測(cè)量技術(shù),覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)中的絕大多數(shù)物位測(cè)量需求,核輻射技術(shù)因?yàn)槠涮厥庑?,?yīng)用范圍有其局限性,在此不作贅述,而原先由軍用雷達(dá)發(fā)展而來的雷達(dá)物位測(cè)量技術(shù)正日益成為物位測(cè)量的主流趨勢(shì)。
所謂的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)包含兩種:微波雷達(dá)(非接觸式)以及導(dǎo)波雷達(dá),其中微波雷達(dá)技術(shù)隨著成本的降低和在諸多苛刻工況應(yīng)用中的優(yōu)異測(cè)量效果得到廣大用戶的認(rèn)可,但這并不意味著微波雷達(dá)技術(shù)就是一種萬能的測(cè)量技術(shù),可以測(cè)量所有的介質(zhì);相對(duì)而言,全新的導(dǎo)波雷達(dá)技術(shù)(Guide Wave Radar)恰恰彌補(bǔ)了微波雷達(dá)的不足之處。
2. 雷達(dá)技術(shù)比較及導(dǎo)波雷達(dá)的原理
顧名思義,微波雷達(dá)物位計(jì)指通過空間發(fā)射、傳播和接收電磁微波的物位測(cè)量?jī)x表,導(dǎo)波雷達(dá)則是通過某一種形式的波導(dǎo)體來傳導(dǎo)、發(fā)射和接收電磁微波的、物位測(cè)量?jī)x表。
微波雷達(dá)儀表測(cè)量物位具有以下優(yōu)點(diǎn):1、不與介質(zhì)接觸;2、高頻電磁波信號(hào)易于長(zhǎng)距離傳送,可測(cè)大量程;3、不受空間氣相條件變化的影響
微波雷達(dá)通過發(fā)射和接收高頻(GHz)級(jí)電磁波,計(jì)算電磁波達(dá)到物位表面并反射回到接收天線的時(shí)間來進(jìn)行物位測(cè)量,而電磁能量的傳送不易受到傳播空間性質(zhì)的局限性,它可以在高/低壓(真空)或具有汽化介質(zhì)的條件下傳播,并且氣體的波動(dòng)亦不影響電磁波的傳播。
普通微波雷達(dá)物位測(cè)量?jī)x表天線的輻射能約為1mW,是一種微弱的信號(hào),當(dāng)這種信號(hào)在空氣中傳播時(shí),能量衰減較快,當(dāng)微波信號(hào)到達(dá)物位表面并反射時(shí),信號(hào)強(qiáng)度也就是振幅,與介質(zhì)的介電常數(shù)有直接關(guān)系,介電常數(shù)非常低的非導(dǎo)電類介質(zhì),如烴類液體,反射回來的信號(hào)非常弱,這種被削弱的信號(hào)在返回至安裝于罐頂部的接收天線的途中,能量又進(jìn)一步衰減,微波雷達(dá)物位計(jì)接收到的返回信號(hào)能量大致只有發(fā)出信號(hào)能量的1% !當(dāng)用于上述條件介質(zhì),接觸式微波雷達(dá)物位儀表的性能指標(biāo)會(huì)有所降低甚至無法正常使用。
為了彌補(bǔ)接觸式雷達(dá)物位計(jì)的這些不足之處,導(dǎo)波雷達(dá)物位儀表應(yīng)運(yùn)而生,導(dǎo)波雷達(dá)的工作原理與前述雷達(dá)非常相似,GWR的基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS 等時(shí)采樣原理。多年來TDR一直被用于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內(nèi)埋設(shè)電纜的斷頭。
測(cè)電纜斷頭時(shí),TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號(hào)沿電纜傳播,到達(dá)斷頭處就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量反射脈沖;TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生數(shù)十萬個(gè)能量脈沖沿波導(dǎo)體傳導(dǎo),當(dāng)?shù)竭_(dá)介質(zhì)表面時(shí),產(chǎn)生一個(gè)物位反射原始脈沖;與此同時(shí)在探頭的頂部預(yù)設(shè)一個(gè)定值阻抗,用以產(chǎn)生一個(gè)可靠的基準(zhǔn)脈沖,該脈沖又稱為基線反射脈沖。雷達(dá)物位計(jì)檢查到物位反射原始脈沖,并與基線反射脈沖相比較,從而得到物位測(cè)量的數(shù)值,這就是導(dǎo)波雷達(dá)物位儀表的工作過程。
同時(shí),在接收器中預(yù)先設(shè)定的與電纜總長(zhǎng)度相應(yīng)的阻抗變化也引發(fā)出一個(gè)基準(zhǔn)脈沖,將反射脈沖與基準(zhǔn)脈沖相比較,可精確定位斷頭的位置。將該原理用于物位測(cè)量時(shí),ETS等時(shí)采樣原理用于測(cè)量高速、低功率的電磁信號(hào),是基于TDR 的液位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。眾所周知,高速的電磁信號(hào)短距離的測(cè)量是很困難的,ETS實(shí)時(shí)捕捉電磁信號(hào)(UIS),并且在等值的時(shí)間里重新構(gòu)造它們,以利于更好使用先進(jìn)的技術(shù)測(cè)量。
物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展到今日,已出現(xiàn)許多種成熟可靠的物位測(cè)量?jī)x表,以其不同的性能和特定的適用范圍在不同條件的液位測(cè)量中發(fā)揮著重要的作用:壓力/壓差測(cè)量液位法;射頻導(dǎo)納/電容液位計(jì);超聲波液位計(jì)和浮筒液位計(jì)等都已在工業(yè)上有了數(shù)十年的成功使用經(jīng)驗(yàn),但導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)以其具有明顯的使用優(yōu)點(diǎn)及性能更加引起大家的關(guān)注:1) 能耗低。GWR輸出到波導(dǎo)探頭的信號(hào)能量小,約為非接觸式雷達(dá)發(fā)射能量的10%。這是因?yàn)椴▽?dǎo)體為信號(hào)至介質(zhì)表面?zhèn)鞑ヌ峁┮粭l快捷高效的通道,信號(hào)的衰減保持在最小程度。
2) 能量強(qiáng)。由于信號(hào)在波導(dǎo)體中傳輸不受液面波動(dòng)和儲(chǔ)罐中的障礙物等的影響,因而儀表所接收到的返回信號(hào)能量相應(yīng)較強(qiáng),約為所發(fā)射能量的20%。
3) 范圍廣?;谏弦惶匦?,對(duì)于低介電常數(shù)的介質(zhì)導(dǎo)波雷達(dá)擁有令人滿意的表現(xiàn),以西門子LG200產(chǎn)品為例,其可測(cè)的最低介電常數(shù)竟為1.4!
4) 介電常數(shù)的變化對(duì)測(cè)量性能無影響。信號(hào)自烴類(介電常數(shù)2~3)液體表面或水(介電常數(shù)80)反射的時(shí)間一樣,不同的只是信號(hào)幅度的差別,微波雷達(dá)需考慮介質(zhì)進(jìn)而經(jīng)過篩選才可得到準(zhǔn)確測(cè)量值,假定接收信號(hào)強(qiáng)度改變,信號(hào)的篩選就會(huì)受到影響;導(dǎo)波雷達(dá)由于能量集中可避開諸多干擾則無此顧慮。
5) 密度的變化對(duì)測(cè)量無影響。介質(zhì)密度的變化影響浸沒于介質(zhì)中物體所受到的浮力,但不影響電磁波在波導(dǎo)體中的傳播。
6) 介質(zhì)在探桿/纜上的掛料對(duì)物位測(cè)量的影響極小。掛料有兩種:膜狀和搭橋,膜狀掛料是在料位下降時(shí),高黏度介質(zhì)在探頭上形成的一層覆蓋,這種掛料在探桿上分布均勻,因此對(duì)測(cè)量基本無影響;但搭橋掛料的形成卻能導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差,因此在選用雙桿/纜式導(dǎo)體時(shí),需要謹(jǐn)慎小心,充分考慮到介質(zhì)的黏度!
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