连续测量的物位仪表技术

发布时间:2018-01-22

1、 微波物位计

微波物位计(俗称雷达液位计)利用回波测距原理,其喇叭状或杆式天线向被测物料面发射微波,微波传播到不同相对介电率的物料表面时会产生反射,并被天线所接收。发射波与接收波的时间差与物料面和天线的距离成正比,测出传播时间即可得知距离。因为微波是电磁波,以光速传播且不受介质特性影响,因此在一些有温度、压力、蒸汽等超声物位计不能正常工作的场合,微波物位计可以使用。在石油及石化领域有较广阔的应用远景。

微波物位计有两种工作模式。

(1)脉冲波方式:其工作模式与超声物位计相似,天线周期地发射微波脉冲,并接收物料面回波,同时对回波信号进行分析处理,确认有效回波,据之计算物位。度约为0.2~0.3%F.S.。一般中档以下的微波物位计都用此方式。原来生产超声物位计的厂家大多采用此方式生产微波物位计。如:VegaE+HSiemens-Milltronics等。

(2)调频连续波方式(FMCW):天线发射的微波是频率波线性调制的连续波,当回波被天线接收到时,天线发射频率已经改变。根据回波与发射肢的频率差可以计算出物料面的距离。FMCW方式测量线路较复杂,价格较高,但测量度较高,可以达0.1%F.s.,甚至更高。同时干扰回波也较易去除,一般较高要求产品都采用此方案。

微波物位计刚进入市场时,曾被寄予过高的期望,使用中发现也有局限性。普通的微波物位计要求被测物料为ε14,精密型的可低至ε22。ε12的介质因反射波微弱而不能测量,而石化系统中有些介电常数ε1低的介质,如:液化气等,就得不到正确的测量结果,必需加导波管来集中能量。

另外,大多数脉冲式微波物位计采用的微波频率为5.8GHz,其辐射角较大,在储罐中除了液面回波外,还会产生其它干扰回波,使接收回波复杂,难以确认液面回波。在卧式罐或拱顶罐内使用时,因为顶部会对反射波产生聚焦效应,形成多次回波,故不能安装在罐中央位置。在测量固态物料时,更会产生各种干扰回波,故大多数微波物位计不能用于测固态物位。

针对这些题目,有的公司(Siemens)开发了采用更高频率(24GHz)的微波物位计,其发射指向角小于10°,这样能量集中,不但能测得更远距离(:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />45m),而且信噪比高,可以测量低介电率的介质(ε11.7)。因为内置了提高前馈的回波处理软件,可以用于测量固态物料物位,甚至可以测量粉状水泥的物位。

2、 导波式微波物位计

导波式微波物位测量技术是微波物位计的一种变型,英文名称是Time Domain Reflectometry(时域反射法)或简称TDR,也俗称导波雷达,通常采用脉冲波方式工作。与微波物位计不同点在于微波脉冲不是通过空间传播,而是通过一根(或两根)从罐顶伸入、直达罐底的导波体传播。导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。微波脉冲沿杆或缆的外侧向下传播,在被测物料表面上被反射,回波被天线接收,由发射脉冲与回波脉冲的时间差即可计算出传播距离。它可以丈量的范围包括液体和固体的物位,以及非导电液体与导电液体的分界面。

和微波物位计一样,反射信号的强度取决于被测物料的介电率或导电率。但导波式可以测量更低介电率的物料。其导波体由单根的金属杆或缆、或两根平行的杆或缆、或同轴管构成。

双杆()及同轴管式导波体因为电场能量集中,易受外部结构影响,可以测量较低介电常数的介质(ε1.5)。但在杆之间(或管内部)轻易积料,积料上会产生虚假回波,故主要用于液体介质。

单杆()式可以用于液体介质,而且由于不易积料,也可以用于粉状或颗粒状固态物料。

导波式微波物位计固然丧失了非接触的长处,但在下列应用领域有其优势:

(1)低介电常数的液体,如:液化气、轻质汽油等。假如用普通微波式液位计,因其介电常数低、反射信号弱导致不能正确工作,也必需加导波管来集中能量,一样是接触式。而导波式价格低,工作更正确,安装也便利。

(2)同时测量油罐中的油位及油水界位或类似场合。但必需留意,上层液体必需不导电的,下层液体必需是导电的或介电常数较大的。

(3)测量固态物位,特别是粉状物位或介电常数很低的塑料粒子(如聚乙烯)的物位。与超声波及微波物位计相比,工作可靠。

(4)高温、高压的液位测量。如锅炉汽包及加热器水位。这种高温、高压同时存在的场合能解决的手段很少,通常是用浮筒液位计(电动或气动)。但因为有流动部件,工作可靠性受影响。导波式微波物位计己能做到耐高压34.5MPa(20)。同时耐高温高压的可达到200(29MPa),及450(13.5MPa)。因为其探头部分就是同轴金属管,所以结构简单,价格低,对电子式浮筒液位计形成了很大竞争。

虽然导波式微波物位计是接触式的,但价格较低,又有上述长处,所以也作为一种受欢迎的测量方法得到发展。生产厂家也逐渐增多,有KROHNEE+HMagnetrolK-Tek等。

3、 超声物位计

超声波测量物位主要利用回波测距原理,技术发展已较成熟,应用也积累了许多经验。近年来的主要发展是增加通信功能,特别是各种现场通信协议的选项,如:Profibus-DPA-B公司的Remote I/OModbus RTUDevice net,还能通过调制解调器经由电话线远传,价格下降,加速了普及。

超声物位计应用有优势的领域是:块状、颗粒状及粉状的固态物位丈量。

这些领域中超声波是的技术。冶金、矿山、选煤、建材、电力等企业都有大量料仓,超声波非接触的测量方法比传统的重锤探测式不但安装利便、工作可靠、维护量少,价格也有竞争性。经由多年应用后,国内电厂及选煤厂输煤系统中煤仓料位几乎都使用超声物位计。

干式气柜等大量程位置测量,又有防爆要求的,也是超声波占上风的领域,大量程达90m

跟着对环境保护的正视,污水处理项目增多。一体型超声物位计以其使用方便、工作可靠、价格也低廉而得到越来越广泛的应用。专门用于环保行业的有多种功能的超声物位计,如:能对集水井中多达五个泵进行控制,并可计算泵送体积;根据不同时间段电费率的不同来控制泵经济运行;能检测隔栅前后液位差;能检测明渠流量。所以在国内,超声物位计也成了污水处理中的物位仪表。

4、 大型储罐液位精密测量

石油和石化系统有大量储罐需测液位,并且据之计算库存,度要求高(±12mm),量程大(15m或更高),形成一个专门的需求领域。

以往,用得较多的是钢带浮子液位计,它是用恒力弹簧来平衡浮子重力的自力式浮子液位计,除了就地指示外,还可将液位信号电传,度约2-3mm,不能达到计量级的要求(lmm),一般用于监控或内部结算。这类产品应用已有五十年以上历史,国外目前应用仍很广。国内声誉不太好,其原因大都是安装不规范,加上没有很好维护,并不是原理或结构上的问题,只要加强日常维护就能可靠使用。由于并不是所有的储罐都要丈量到1mm,所以钢带液位计仍有广泛的应用市场。

国内用得较多的还有光导电子液位计,它是用重锤平衡浮子重力的浮子液位计,与钢带浮子液位计属统一类型。虽然其用光电转换方法读码带度很高,但浮子跟踪物位仍是靠液位变化引起的浮子浮力变化来带动伺服系统。因为系统静摩擦的存在,敏捷度不可能很高,也需要较好的安装及维护。从理论上讲,不会比钢带液位计更高。

达到计量级要求度必需在1mm以内。目前有三种测量技术可以达到此要求。

(1)伺服型浮子液位计:它是一个用可逆马达来带动浮子自动跟踪液面变化的自动伺服式液位计。测量液面的度可达0.7mm,敏捷度可达0.1mm。同时还能测量油水界面。

国外已经应用的这类产品出产厂家有荷兰ENRAF公司、德国E+H公司、日本东京计装()等。

(2)计量级微波液位计:瑞典Saab公司较早就推出了声称达1mm度的计量级雷达,国内也应用了不少。但在实际中是否能达到,看法尚不一致。近EH公司也推出了带平面及抛物面天线的micropilot S系列雷达,声称也能达到1mm度,主要用于储罐油位测量。因为量程大,无可动部件,不接触测量,对原油、沥青等粘度较大液体也能可靠丈量。同时其丈量度确实也在不断进步,价格也在下降。所以其在储罐液位测量中的份额将会不断增加。

(3)磁致伸缩液位计:美国MTS公司的磁致伸缩液位计也是能达到计量级精度的仪表,其度可达0.05%FS0.5mm(两者取其大者)。仪表结构类似于磁浮子液位计。一根硬管或柔性管从罐顶通到底部,带磁钢的浮子沿波导管随液面上下移动。丈量时,电流脉冲在磁浮子位置的导管内的波导管上激发出一个应力脉冲,沿波导管以声速传播到顶部电子盒中的测量部,被转换成电脉冲。根据应力脉冲的传播时间可以测定出液面位置。假如有第二个浮子,适当选择比重,使其浮在油水界面上,则同时能测出油水界面位置。还可以根据要求在导杆长度方向安装五个温度传感器,可以测量五个点的温度。这对储罐精密计量特别有利。只要一台长量程数字型的磁致伸缩液位计(M-digtai),再加上一个精密压力变送器、PC机以及适当软件,就能组成一套HIMS(混合型)储罐计量系统。和用其他方法(伺服型)组成同类系统相比,价钱低,安装方便,工作可靠性高。

磁致伸缩液位计除了浮子是可动部件外,其他均是固态电子组件,可靠性高,均匀无故障工作时间(MTBF)可达27年(美国太空署测定)。其主要缺点是目前长工作长度仅为18m(柔性缆式)。除MTS外,美国KTek公司也有同类产品,但没有柔性缆式的。

另外,在加油站等卧式储罐中的液位计量几乎都是磁致伸缩测量油位、油水界面及五个温度点,以数字方式与计算机或电子单元通信。生产厂家较多,除MTS外,还有Veeder-RootEMCO等公司,后两者是专门做加油计量系统的。

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