非接觸式雷達(dá)物位計(jì)的選型與安裝

蔣學(xué)華,宋濤(蘭州寰球工程公司，甘肅 蘭州 730060)

1 概述

非接觸式雷達(dá)物位計(jì)是一種通過天線收發(fā)電磁信號(hào)，儀表本體無需與被測(cè)介質(zhì)接觸即可測(cè)量介質(zhì)物位的儀表。雷達(dá)物位計(jì)精度高，目前產(chǎn)品已經(jīng)能達(dá)到不大于1mm的測(cè)量誤差；抗干擾能力強(qiáng)，由于雷達(dá)波本身的特點(diǎn)，儀表測(cè)量過程中溫度、壓力變動(dòng)的影響可忽略不計(jì)；能持續(xù)測(cè)量，儀表通過持續(xù)發(fā)射微波，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的物位變動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。除了具有這些雷達(dá)物位計(jì)共同的優(yōu)點(diǎn)外，非接觸式雷達(dá)物位計(jì)與接觸式雷達(dá)物位計(jì)相比，還有更多的優(yōu)點(diǎn)。量程大，現(xiàn)有產(chǎn)品量程0-70米，而桿式接觸式雷達(dá)只有0-6米，纜式接觸式雷達(dá)也只有0-35米；維護(hù)量小，因與被測(cè)介質(zhì)無需接觸，安裝方便維護(hù)簡(jiǎn)單。

2 工作原理

雷達(dá)物位計(jì)的通過天線發(fā)射和接收電磁波，通過發(fā)射與接收電磁波的時(shí)間差確定發(fā)射端與被測(cè)液面的距離。電磁波速度為光速C，電磁波發(fā)射時(shí)間為T1,接收時(shí)間為T2，則發(fā)射端與物位的距離ΔL=C×（T2-T1）/2。如果被測(cè)罐的高度（罐底到物位計(jì)發(fā)射端的高度）為H，那么被測(cè)液面的高度即為Δh=H-ΔL。

3 選型原則

3.1 非接觸式雷達(dá)物位計(jì)有幾個(gè)選型原則

確定被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)。雷達(dá)物位計(jì)是基于發(fā)射--反射--接受的過程來實(shí)現(xiàn)物位測(cè)量的，因此被測(cè)介質(zhì)對(duì)雷達(dá)波的反射率是必須考慮的，而介質(zhì)對(duì)雷達(dá)波的反射率跟介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。目前，主流雷達(dá)物位計(jì)要求的最低介電常數(shù)約為1.5，介電常數(shù)低于1.5的介質(zhì)不應(yīng)選用雷達(dá)物位計(jì)。對(duì)于一些剛過臨界點(diǎn)的介質(zhì)適用雷達(dá)物位計(jì)呢，比如一些液化石油氣的介電常數(shù)約為1.6左右，這種臨界情況下，如果選用非接觸式雷達(dá)物位計(jì)，一般采用增加一根導(dǎo)波管的方案，增強(qiáng)雷達(dá)波回波信號(hào)，即可滿足測(cè)量要求。

3.2 合理選擇檢測(cè)精度

不同的應(yīng)用場(chǎng)所對(duì)雷達(dá)物位計(jì)的精度要求不一樣，一般分為計(jì)量級(jí)和工業(yè)控制級(jí)。計(jì)量級(jí)雷達(dá)物位計(jì)精度±1mm,一般采用調(diào)頻連續(xù)波式工作方式，即發(fā)射器在一個(gè)頻段內(nèi)按照勻速增長(zhǎng)的頻率發(fā)射雷達(dá)波，物位計(jì)檢測(cè)回波和發(fā)射波之間的頻率差，并將頻率差轉(zhuǎn)換成時(shí)間差來計(jì)算距離。調(diào)頻雷達(dá)物位計(jì)連續(xù)發(fā)射電磁波測(cè)量，響應(yīng)快，這種形式的雷達(dá)物位計(jì)功耗大，電路復(fù)雜，成本較高，采用四線制。劑量計(jì)雷達(dá)一般應(yīng)用于需要計(jì)量的罐區(qū)等場(chǎng)合。工業(yè)控制級(jí)雷達(dá)物位計(jì)一般采用脈沖波，斷續(xù)地掃描處理，功耗低，可用二線制的24V DC供電，容易實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，價(jià)格低，廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)裝置的各類容器、罐區(qū)、料倉等。

3.3 合理選擇防爆等級(jí)

儀表在防爆區(qū)域內(nèi)安裝時(shí)，需要根據(jù)防爆區(qū)域劃分的類別以及可燃介質(zhì)的組別，選用相應(yīng)防爆級(jí)別的型號(hào)。我國(guó)的防爆場(chǎng)合主要分為兩類，氣體（含可燃蒸汽）爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所（0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)）和粉塵、纖維爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所（10區(qū)，11區(qū)）。特別值得注意的是，兩種防爆場(chǎng)合的儀表不能混用，氣體爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所選用本安型、隔爆型儀表（0區(qū)不適用）等形式的儀表，而粉塵、纖維爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所務(wù)必選用粉塵防爆型儀表。防爆區(qū)域劃分確定以后，進(jìn)一步確認(rèn)爆炸性氣體或粉塵是什么物質(zhì)，根據(jù)規(guī)范查閱這種物質(zhì)的引燃溫度及組別，即可確定儀表的防爆等級(jí)。例如，2區(qū)防爆環(huán)境中，爆炸危險(xiǎn)氣體為乙炔，我們可以選用Ex dⅡCT2及以上防爆等級(jí)的儀表。

3.4 合理選擇量程

根據(jù)實(shí)際工況確定量程，選擇相應(yīng)量程的雷達(dá)物位計(jì)型號(hào)。不同量程的雷達(dá)物位計(jì)發(fā)射功率不同，量程范圍越大功率越大。如果小量程工況選擇大功率雷達(dá)物位計(jì)，浪費(fèi)能源，反之大量程工況選擇了功率過小的雷達(dá)物位計(jì)，則無法準(zhǔn)確測(cè)量。

3.5 合理選用天線材質(zhì)和型號(hào)

根據(jù)工況合理選用天線的材質(zhì)，介質(zhì)高溫則選用高溫型天線，介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)則選用耐腐蝕天線（雖然天線不與物料接觸，但物料往往會(huì)汽化或產(chǎn)生懸浮的粉塵顆粒與天線接觸）。部分工況下，為保證雷達(dá)物位計(jì)天線能插入到罐體內(nèi)部，需選擇加長(zhǎng)型天線、特殊延長(zhǎng)型等。

3.6 合理選擇防護(hù)等級(jí)

根據(jù)安裝環(huán)境確定雷達(dá)物位計(jì)對(duì)水（雨水等）、塵埃的防護(hù)等級(jí)。儀表的防護(hù)等級(jí)按IEC標(biāo)準(zhǔn)表示為IP XY,字母IP為防護(hù)等級(jí)特征字母。XY為阿拉伯?dāng)?shù)字，其中X表示對(duì)塵埃的防護(hù)等級(jí)，從0到6一共7級(jí)，分別代表儀表可防止塵埃進(jìn)入的程度；Y表示對(duì)水的防護(hù)等級(jí)，從0到8一共9級(jí)，分別代表儀表防水的程度。例如某儀表完全防塵，且在制造廠規(guī)定的條件下可長(zhǎng)期潛水工作，其防護(hù)等級(jí)為IP68。

4 安裝注意事項(xiàng)

根據(jù)不同的工況，非接觸式雷達(dá)物位計(jì)可在罐體中、導(dǎo)波管中、旁通管中等位置安裝。

在罐體中安裝時(shí)，應(yīng)特別注意五點(diǎn)：1、雷達(dá)物位計(jì)波束需垂直于被測(cè)介質(zhì)平面，即雷達(dá)物位計(jì)的發(fā)射部位（如喇叭口）相對(duì)于被測(cè)介質(zhì)的平面垂直安裝。2、不可安裝在罐體中央，干擾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)丟失；3、不可安裝在加料口上方，加料時(shí)會(huì)造成極大的干擾回波，導(dǎo)致料位計(jì)出現(xiàn)虛假值；4、料位計(jì)安裝位置與罐壁距離宜為罐體直徑的1/6，且最少不能低于15cm（因雷達(dá)物位計(jì)的型號(hào)不同最小距離不同，以選用型號(hào)的要求為準(zhǔn)）。5、如果罐體為非導(dǎo)電性材料，則雷達(dá)物位計(jì)波束散射的范圍內(nèi)，避免有爬梯、金屬管道、操作平臺(tái)等反射雷達(dá)波造成干擾。

當(dāng)罐體內(nèi)部工況復(fù)雜，比如有加熱管、內(nèi)浮頂、各種支架較多等情況時(shí)，不宜直接安裝非接觸式雷達(dá)物位計(jì)，而經(jīng)常采用增加導(dǎo)波管的方式安裝。導(dǎo)波管至少滿足以下要求：1、應(yīng)為管徑均勻的金屬管（宜選用不銹鋼管）；2、導(dǎo)波管內(nèi)壁必須始終光滑，任何過渡段不能有超過1mm的裂縫、焊縫等；3、導(dǎo)波管上方側(cè)面（罐體內(nèi)），物位死區(qū)的位置加工通風(fēng)口用以補(bǔ)償導(dǎo)波管內(nèi)壓力，使導(dǎo)波管內(nèi)的物位與罐內(nèi)物位保持一致；4、導(dǎo)波管的安裝垂直度偏差要小于0.3度,即每10m垂直偏差絕對(duì)值小于0.05m。

當(dāng)罐體內(nèi)部無法直接安裝物位計(jì)，也無法安裝導(dǎo)波管時(shí)，比如罐體內(nèi)有攪拌器等情況時(shí)，可采用旁通管安裝方式。旁通管的安裝要求基本與導(dǎo)波管相同，只是不再開通風(fēng)口。

5 結(jié)語

非接觸式雷達(dá)計(jì)的特點(diǎn)突出，只要在正確選型、安裝的基礎(chǔ)上，就能廣泛地應(yīng)用于各種高溫、高壓、粘度大、腐蝕性強(qiáng)、易燃、有毒的環(huán)境中，特別適用于大型立罐和球罐。可靠性高，維護(hù)量小，提高生產(chǎn)效率。

[1]陸德民.主編.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000:1087-1098.

[2]李瑩瑩.E+H雷達(dá)液位計(jì)在化工儲(chǔ)罐的應(yīng)用[J].硅谷，2011（24）:144-144.