引言

        隨著工業自動化水平的飛速發展 , 傳統的液位測量裝置由于其固有的缺點已無法適用現代工業生產的需求。雷達液位計是一種利用微波而實現的液位測量儀，用于對儲罐、緩沖罐、穩波管、旁通管中的液體、顆粒、漿料的物位進行非接觸式測量，具有不受溫度、壓力、惰性氣體和蒸汽影響、不受被測介質物理特性變化影響等優點，近年來在電力、石化、冶金、化工等領域得到了廣泛應用。

 

1. 液位測量方式和雷達液位計原理

        測量液位的方法很多種，zui常用的是差壓和靜壓測量，但是它們容易受到被測介質密度的影響；音叉測量只能做開關量，不能實時監測；浮筒受密度影響大，因為結構原因，量程很??；放射性測量輻射大，對人體有傷害。而雷達液位計擯棄了上述儀表的缺點，廣泛應用于石油化工、電廠等行業。

 

        雷達液位計是基于時間行程原理的測量儀表，該測量儀表通過天線系統向被測介質表面發射雷達波，介質表面反射雷達波信號 , 隨后被天線系統接受，測量儀表利用雷達脈沖所需要的運行時間和輸入的容器高度可以計算出料位。

 

        非接觸式雷達技術具有測量精度高、測量穩定、不接觸被測介質等特點 , 測量過程既不會受到介質的波動性的影響 , 也不會受到不斷出現的過程條件 , 如溫度、壓力、密度、泡沫，或嚴重起塵的影響。

 

2. 雷達液位計的技術特點：

        1. 雷達液位計采用一體化設計，沒有可以活動的部件，因而不存在機械磨損，只要選型適當，使用壽命長。

        2. 適用范圍廣，雷達液位計能夠對球罐、臥罐、柱形罐、圓錐形罐等的液位進行測量；

從罐體功用來說，能夠對儲罐、緩沖罐、微波管、旁通管中的液位進行丈量；從被測介質來說，能夠對液體、顆粒、漿料等進行測量。

        3. 雷達液位計測量時發出的雷達波不需要傳輸媒介，不受大氣、蒸汽、槽內揮發霧氣的影響；

        4. 不會受到操作槽罐內液體的密度、濃度等物理特性的影響；

        5. 只要選取合適的材料，抗腐蝕能力強，能適應腐蝕性很強的環境；

        6. 具有虛假液位回波抑制的功能，通過虛假回波抑制液面到天線的虛假回波信號，排除虛假回波的干擾；

        7. 雷達液位計沒有測量盲區，精度可以做的很高。目前已經有計量級的雷達投入到貿易結算；

        8. HART 或 PROFIBUS-PA 通 信 協 議及基金會現場總線協議，標定簡便、通過數字液晶顯示輕松實現現場標定操作，通過軟件GDPF 實現簡單的組態設定和編程。

 

3. 精餾殘液蒸發器液位測量現狀及存在問題

3.1 雷達液位計選用背景及結構

        雷達液位計的安裝有比較嚴格的要求 , 按照石油化工儀表安裝設計規范（SH/T 3104-2000）有以下幾點：

        1. 測量液位的場合，宜垂直向下檢測安裝；

        2. 測量料位的場合，微波的波束宜指向料倉底部的出料口；

        3. 微波的波束中心距離容器壁的距離應大于由束射角、測量范圍計算出來的zui低液位處的波束半徑；

        4. 微波的波束途徑應該避開容器進料流束的噴射范圍；

        5. 微波的波束途徑應避開攪拌器及其他障礙物。

        此外，浮頂式罐體和具有觀測管的球形罐體，通常使用導波管，主要是為了消除有可能因為容器形狀而導致多重回波產生的干擾影響，或是在測量相對介電常數較小的介質時用來提高反射回波能量。安裝時應使液位計位于導波管的中心，導波管的焊縫應處理成光滑無毛刺，并且清除鐵銹或雜質，以確保測量精度。

 

        公司于 2013 年新上一套年產 10 萬噸保險粉裝置。保險粉的化學名：低亞硫酸鈉、連二亞硫酸鈉，因能使染好的布的顏色褪去而使布能重新染色，故而俗稱保險粉。保險粉的工藝較為復雜，共分為合成、干燥、中和、尾氣、精餾殘液、二氧化硫、甲酸鈉、冷凍等八個主要工序，整個裝置生產采用 DCS 控制，儀表檢測控制回路近 3000 點，液位測量有 300 多點，其中有相當一部分選用的是雷達液位計。

 

        經過 5 年多的運行，其中絕大部分運行良好，測量準確。但其中保險粉精餾殘液一效和二效蒸發器的雷達液位計使用效果不是很好，經常出現示值不正常跳動，嚴重影響殘液蒸發效果。經過長期跟蹤觀察，發現保險粉精餾殘液蒸發器的液位測量設計之初，由于殘液的特殊性，只能選用雷達液位計。安裝時選用的是24GHz 和 26GHz 脈沖原理的產品。蒸發器的內部結構比較獨特，容器頂部在雷達液位計安裝下部有一個 1200mm *φ150mm的延長管，同時距離罐頂 1000mm 的位置有一層金屬隔網（隔網的作用是將蒸發時產生水蒸汽中可能夾帶的殘液捕集下來，避免夾帶到后工序，影響正常生產），延長管穿過這層隔網，其結構如下圖 1 所示

3.2 低頻雷達液位計存在的問題

        早 期 的 雷 達 液 位 計（K-BAND24， 或26GHZ）由于頻率低、波束角度小和反應時間滯后等因素，在一些特殊工況中測量效果不太理想。

3.2.1 殘液結晶粘附

        在生產過程中發現蒸發器內殘液蒸發的水蒸汽夾帶物料結晶粘附在雷達天線上，同時雷達發射的雷達波不能很好地穿過 1200mm延長管，形成干擾回波，如圖 2 所示。

3.2.2 殘液泡沫吸收能量

        經過加壓塔和常壓塔雙塔精餾后，保險粉殘液進入一效蒸發器和二效蒸發器，在蒸汽加熱過程中產生大量泡沫，厚度約 300mm-500mm，泡沫吸收雷達的能量，導致液位信號嚴重衰減甚至完全回收不到液位信號，如圖2 所示。

上述問題嚴重干擾到殘液蒸發器液位正常測量（如圖 3 所示），影響精餾固化工序正常生產。

4. 蒸發器雷達液位計升級改造

        針 對 這 種 工 況， 公司選用三暢儀表廠zui新產品SCLD-GP80 高 頻（W-BAND 80GHz）連續調頻原理的雷達液位計取代過去使用的 24Ghz 和 26Ghz 脈沖原理的雷達產品，該產品采用獨特的內置密封的透鏡天線結構，具有高聚焦和高動態范圍及反應時間快等特點。

 

4.1 高聚焦

        雷達液位計的發射波束角的大小反映了其聚焦能力的強弱，發射角的大小和天線有效截面積和頻率有關，其公式如下：發射角 α= 光速 /（天線有效截面積 *頻率）

 

        從上式中可以看出，發射角 α 與雷達天線截面積和發射頻率成反比，在天線截面積不變的情況下，發射頻率越高，其發射角就越小。發射角越小，其聚焦能力就越強，從而雷達回波就越強，信號也就越穩定。

4.2 高動態范圍

        雷達液位計的動態范圍是指液位計所能檢測到的回波的強信號與弱信號之間的差值。發射頻率為 26GHz 的雷達波，其動態范圍一般在 96dB 之內，而 80GHz 的雷達波，其動態范圍zui高可以達到 120dB。動態范圍越大，說明其檢測微弱信號的能力就越大，其適用性就越廣。

5. 高頻雷達液位計使用效果

        80GHz 高 頻 SCLD-GP80上 述 兩個特點很好地克服容器內的蒸汽在天線上和管內形成嚴重的結露和結晶，同時選用DN150PTFE 封裝的安裝法蘭，3°雷達波發射角，結合 120dB 的高動態范圍，信號能很輕松地穿透延長管和泡沫，得到穩定的液位信號，在實際測量中取得了良好的效果，如圖 4所示。

6. 結語

        80GHz 高頻雷達液位計SCLD-GP80在保險粉精餾殘液蒸發器液位測量上的成功應用，解決了困擾多年的技術難題，為后期實現保險粉精餾殘液全自動控制創造了條件。