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导波雷达液位计和磁浮子液位计在甲醇工艺的结合运用

 摘 要:自第三次工业革命以来,工业自动化逐渐取代人工,新兴智能仪表应运而生,蓬勃发展。直到目前,测量液位的仪表有磁浮子式、压力式、浮球式、浮筒式、电容式、超声波式、雷达式、射频导纳式等。其中,雷达液位计因维护量小,性能高且稳定,精度高,可靠性高的特点,在使用量占有极大的比例。经过多年的发展,雷达液位计的生产技术已经比较成熟。它是基于时间行程原理的测量仪表,雷达波以光速运行,运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。探头发出高频脉冲在空间以光速传播,当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表内的接收器接收,并将距离信号转化为物位信号。国内使用的主流雷达液位计采用的是高频达 6、10、26MHZ 的脉冲微波工作,基本可以保证测量的精度和稳定,但对液面有泡沫、石蜡等干扰吸收微波反射的介质略有不足。笔者在文章中对此进行分析和探索。

某公司为煤制甲醇工艺,精甲醇罐 4 个,中间罐 8 个(其中粗甲醇罐 4 个,一期为 2 个,二期为 2 个)法兰口径为 DN100。其中一期粗甲醇罐采用的是 VEGA 喇叭口雷达液位计,其余均采用导波缆绳雷达液位计。前期投用,运行良好。一期雷达液位计偶尔会出现满量程情况,尤其在秋天昼夜温差大时比较频繁。拆检为探头处有冷凝液。半年之后,一期首先出现液位计大幅度波动,抑制后液位显示正常。往后一段时间,经常出现类似情况。出于甲醇有结蜡情况的考虑,可能会改变液面介电常数和吸收发射微波,将液位计更换为导波缆绳液位计,情况好转。继续运行了 4、5 个月之后,雷达液位计出现了无规律波动。检查回波曲线波峰不明显,且波峰一直变化位置,回波强度大概在 30~100 MV 波动,无法准确测量液位。更换新备件后,情况没有太大变化。每次拆检都能不同程度地发现有部分颗粒状物,怀疑为结蜡。由于工艺流程长期运行,储罐不能经常切出检修清洗,且被测介质极易结蜡。综合以上因素,需找出一个长期稳定有效的办法来解决这个问题。 

1 导波雷达液位计测量原理

导波雷达液位计是依据时域反射原理(TDR)为基础的雷达液位计,采用高频振荡器作为电磁脉冲发生体,发射电磁脉冲,沿导波缆或导波杆向下传播,当遇到被测介质表面时,三畅雷达液位计的部分电磁脉冲被反射回来,形成回波。并沿相同路径返回到脉冲发射装置,通过测量发射波与反射波的运行时间,经 t=2d/c 公 式,计算得出液位高度。根据图(a)所示,导波雷达液位计发射电磁脉冲时,在通过导波缆顶部的时候,由于距发射端较近,会产生一个虚假回波,可通过滤除虚假回波,来消除干扰。电磁脉冲沿导波缆向下传播时,当信号到达被测介质表面时,回波一部分会被反射,并在回波曲线上产生一个阶跃性变化。

导波雷达信号传播示意图

另外一部分信号仍然会继续向下传播,直到损耗在不断发射中。液位计通过检测出液位回波和顶部发射回波之间的时间差,根据这个时间差,经过智能化信号处理器,进行计算就可以得到液位的高度。

从图(b)可以看出,在空罐的时候,没有液位就不会检测到液位回波信号,但是顶部虚假回波同样会存在,电磁脉冲传输到导波缆的底部,罐底会产生一个回波。假如罐体内有两种不相溶的介质,由于密度不同,两种介质会分为上下两层。如果且这两种介质的介电常数相差极大,那么就可以通过回波信号的不同来判断两种介质的界面,进而计算出两种介质的高度以及界面的高度。由于电磁脉冲是通过导波缆向下传播,信号衰减比较小,因而可以测量低介电常数的介质。一般情况下被测介质的相对介电常数越大,反射回来的脉冲信号就越强。也就更容易区分出虚假回波。更容易得到真实液位。比如水比甲醇更容易测量。 

2 介质的相对介电常数对信号的影响

介质的相对介电常数是表征介质极化的一个物理量,它是由介质本身的属性决定的。因此,介质不同,相对介电常数也不同。被测介质的介电常数大小直接影响高频脉冲信号的反射率。当电磁脉冲到达介质表面时,电磁波会发生反射和折射。相对介电常数越大,则反射的损耗越小,相反相对介电常数越小,则发射的损耗越大,信号衰减的越严重。当被测介质的电导率大于10mS/cm,则会全部反射回来,即回波信号越强。由于过小的相对介电常数会导致信号极度衰减。因而每一种导波雷达液位计都具有一项zui小相对介电常数,确保三畅雷达液位计能够正常使用。不同公司的导波雷达液位计在结构设计上不同,对zui小相对介电常数的要求也不同。VEGA FX81 的zui小相对介电常数是 1.4,E+HFMP41 的zui小相对介电常数是 1.4 rosemount 5301 的zui小相对介电常数是 1.2

3 浮子液位计的测量原理

在液体中,由于物体密度小于液体密度,物体会浮在液体表面,这个物体可以被称为浮子。在各种条件不变化的情况下,物体所受浮力是恒定的,浸入液体的体积也是恒定的。即高出液面的距离也是恒定的。当液位变化时,浮子随着液面的变化而变化。根据阿基米德浮力定律可以算出物体高处液面的距离,继而得出真实的液位。解决方法如下:

根据阿基米德浮力定律

选取一密度比较小的物体(不溶于被测介质),选用现场随处可见的泡沫(成分聚苯乙烯,不溶于醇类),厚约 10 mm。作大小直径为 75 mm、65 mm 的圆台形。中间圆心开约 10 mm 的孔。为防止泡沫在运行中长期浮动磨损,取 Φ10 气源管 20 mm 长,置于圆台中间孔内。再截取直径为 70 mm 的铝皮(现场保温随处可见)放于圆台之上。用以改变被测介质的液面属性,加强回波。将三畅雷达液位计缆绳旋开,将浮子串入缆绳中,将缆绳恢复。缓慢放入导波管中。检尺实际液位,调整偏移量,使其显示等于实际液位。经过长时间多次检尺测量对比,误差在 5 mm 以内,对于一些液位控制要求不是很高的地方,有很好的借鉴意义。目前液位计已持续运行 3 年有余,一直运行良好。 

4 结 语

雷达液位计在化工企业应用广泛,改造虽小,却经济实用。既降低了故障率,又节省了成本。通常我们只从仪表本身问题出发,而去解决问题。这次通过改变介质液面性质,来达到雷达液位计稳定运行的目的。也为我们开辟了一条新思路。

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