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非接触式物位测量主流仪表——雷达超声

时间:2022-03-17 10:39:54 点击:139次

  物位仪表在选型时,与压力、流量等仪表有很大不同。物位测量的现场工况千差万别,很难设计出能满足所有工况应用的物位仪表。在非接触式物位测量仪表中,超声波物位计雷达物位计是两大主流仪表。只有充分了解仪表特点及应用条件,才能做到选型合理,充分利用仪表的测量性能。

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  超声波物位计

  

  传感器发出的超声波碰到被测介质被反射,反射回波的质量反映了物位计应用效果。回波质量定义为最小回波幅度(在最恶劣条件下回波幅度)比最大嗓声幅度(虚假回波、多径反射回波等的幅度)。回波质量数值越大,物位计应用效果越好。

  

  超声波物位计工作频率及测量性能:传感器高频(40~70kHz)工作时,传感器的尺寸小,盲区小,方向性好,精度高,但其声波衰减快,传播介质(空气)波动时穿透性差,测距较小。传感器低频(10~20kHz)工作时,传感器尺寸大,盲区大,方向性不好,精度低,其优势是声波衰减慢,传播介质(空气)波动时穿透性较好,测距稍远。

  

  1 超声波的回波强度的两个影响因素

  

  1.1传播介质越稳定越有利于传播

  

  超声波是机械波。机械波在传播过程中会受到传播介质稳定程度的影响。例如:有一池塘水,当风平浪静时,往池塘中扔一石子就可看到水波纹,当大风使池塘水起波浪时,往池塘中扔很大的石头都难看到水波纹。

  

  引起空气波动因素很多,如:粉尘,气浪,蒸汽,料流等都会引起空气波动,降低回波质量,影响测量效果。

  

  当粉尘、气浪等现象严重时,建议用低频超声波物位计来测量。

  

  1.2被测介质表面越平整,声阻抗越大(越硬)越有利于反射回波

  

  测量固体时,被测表面都是不平的,有一定的安息角。在这种条件下的反射波是漫反射波。由于反射与波长有关,当反射面的线度可与波长相比时或更大时,才能发生反射。显然,工作频率越高,其波长越小,对于较小的物料,更易于发生漫反射。例如,频率为10kHz的机械波在空气中的波长是34mm,大多数情况下,物料的线度都不会有这么大。此外,低频工作时,发射波的开角大,回波会很宽。这时测得的数据不准,有时会差几百mm甚至1m。因此,测量颗粒较小的固体料位,建议使用高频超声波物位计。

  

  综上所述,考虑现场工况时,应特别注意:换能器到被测介质间的空气状态和被测介质的表面状态。

  

  1.2 超声波物位计的选择

  

  1.2.1换能器

  

  生产商给出的最大量程一般是在实验室条件下才能达到。实际应用时,选择量程时,要留有余量。应确保测量距离为仪表最大量程的0.3~0.5倍。最好有应用案例。

  

  1.2.2控制表

  

  应选择有回波显示功能的控制表。由于物位测量工况的不确定性,物位计的工作性能仅用数字表示是不够的。回波显示是将换能器到被测介质之间全过程的回波显示出来。盲区附近的波形状况,真实回波、虚假回波以及杂散噪声的幅度、宽度以及信噪比等有关测量性能的因素通过回波曲线的形式全面反映出来,使用户做到一目了然、心中有数。

  

  1.3 超声波物位计的性能

  

  好的超声波物位计应具备的性能:频率高、发射波开角小(方向性好),换能器谐振好(盲区小),换能器起振快,刹车快,谐振频率准。全量程回波处理动态范围大(100~120dB),回波图形显示。在多虚假回波的工况下,回波波形不断变化时,物位计应能准确地捕获真实回波。因此,物位计的回波处理软件应具有良好的算法(是一种物位测量应用经验积累的总和)。

  

  超声波物位计目前市场价值:由于雷达技术的普及和发展以及雷达的技术特点,在物位测量中,超声波物位计有被雷达物位计取代的趋势。综合性价比分析,在液位测量方面,超声波物位计还有市场。

  

  雷达物位计

  

  非接触物位测量中,雷达技术的应用近年来获得较快发展。超声波物位计中换能器是眼睛,而雷达物位计中高频头和天线是眼睛,回波处理是物位计的大脑。

  

  雷达物位计继承了超声波物位计的回波处理技术。雷达物位计发出的电磁波碰到被测介质被反射,反射回波的质量反映了物位计应用效果。回波质量定义为最小回波幅度(在最恶劣条件下回波幅度)比最大噪声幅度(虚假回波、多径反射波等的幅度)。回波质量数值越大,物位计应用效果越好。

  

  2.1 回波强度的主要影响因素

  

  2.1.1传播介质介电常数越稳定越有利于传播。

  

  雷达波是电磁波,电磁波在传播过程中不受传播介质稳定程度的影响,只与其介电常数有关。这是雷达技术与超声波技术的重大区别。

  

  2.1.2被测介质表面越平整,其介电常数越大越有利于回波反射。所以考虑现场工况时,应特别注意:天线到被测介质空气介电常数的分布;被测介质的表面状态及其介电常数。

  

  2.2 雷达物位计的优点

  

  不受空气波动影响,随距离衰减小,穿透力强。

  

  2.3 雷达的局限性

  

  影响雷达的性能:

  

  (1)介电常数,理论上在真空中雷达衰减极小,当空气中存在对雷达衰减的物质时,例如含高介电性的粉尘粉末(石墨,铁合金等)、密度很大的水蒸气,测量距离和效果要受影响;

  

  (2)被测介质的挥发气体会在天线上聚集,水蒸汽会在天线上聚结,此时,会影响雷达波发射,严重时雷达波不能发出;

  

  (3)被测介质的介电常数不能太小;

  

  (4)尽管温度和压力对雷达影响极小,但雷达天线是由复合材料做成,雷达可适应温度和压力的范围与天线的材料和密封结构有关。

  

  雷达物位计目前已成为市场上的主流产品,而低频率雷达物位计尽管具有价格相对低廉的优点,但在主要应用领域中,属于逐渐被淘汰的产品。从超声波物位计的应用中得知,要获得比较好的回波,换能器工作频率大约40kHz,波长大约9mm,这时发射波的开角为7º~8º。工作频率越高,其开角越小,但其量程较小。

  

  与超声波类比,雷达物位计要获得上述效果的回波,其工作频率应为26GHz,此时,其波长为11mrn。当用口径为100mm的喇叭时,可获得7º~8º开角的发射波。若雷达工作频率是6GHz,则相当于超声波的工作频率为10kHz。而工作频率为10kHz的超声波物位计在物位测量中各项指标都很不理想,特别不适于固体料位的测量。

  

  2.4 高频雷达物位计的优势

  

  2.4.1能量高,波束角小

  

  高频雷达物位计(主要指26GHz和24GHz)具有能量高、波束角小(一般95mm的喇叭天线的波束角为80mm,而6GHz低频脉冲雷达的喇叭天线直径为246mm时,波束角为15。)、天线尺寸小、精度高等优点。26GHz雷达波长11rlllTl,6GHz雷达波长50mm,雷达测量散装料位时,雷达波反射主要来自料面的漫反射,漫反射强度与物料大小成正比,与波长成反比,大部分散装料直径远远小于50mm,所以目前26GHz雷达是散装料物位测量的最佳选择。

  

  2.4.2适用于小罐测量

  

  在一些直径小高度矮的小罐应用中,6GHz雷达天线长(300~400mm)无形中增大了盲区(大约600mm),由于6GHz雷达方向性差(开角大)在小罐中会产生多径反射;26G.Hz雷达频率高频,天线短,方向性好,克服了6GHz雷达的缺点,适用于小罐测量。

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  2.4.3适应恶劣的现场环境

  

  随着时间推移,雷达天线会堆积污物、水汽等,26GHz雷达天线小,加天线罩可大大改善污物、水汽影响;6GHz雷达天线大,加天线罩很困难,且仪表较沉重,清理困难。由于26GHz雷达方向性好,恶劣工况可通过简单隔离,将雷达装在容器外进行测量。目前,26GHz雷达物位计的价格已与6GHz雷达物位计价格相当,这更促进了26GHz雷达物位计的应用。可以预见,6GHz雷达物位计市场占有率会大大降低。随着技术的进步,我们期待更高频率(如90GHz)、更小开角(如:2°、3°)、更小体积的雷达物位计的面世。

  

  导波雷达物位计——非接触雷达物位测量的补充

  

  导波雷达物位计发射脉冲电磁场,以导波缆为中心100mm为半径,沿缆向前传播,遇介质返回。除有非接触雷达的特点以外,导波雷达方向性好,频率低(500M~1GHz),穿透性好。缺点是显然的,尤其在固体测量中,调试维修都不方便,经常会磨损,甚至断缆。可利用导波雷达物位计低频的穿透性实现某些特殊应用。如油水界面;以及利用缆的末端反射测量介电常数非常小的粉末(除尘粉仓)粉位测量等。

  

  在高温、高压工况条件下,导波雷达物位计与脉冲(非接触)雷达物位计相比更具优势。脉冲雷达天线由不锈钢和PTFE构成,而PTFE最高使用温度200℃,最高压力4MPa。当导波雷达用不锈钢和陶瓷构成时,最高使用温度400℃,最高压力40MPa。

  

  结束语

  

  超声波不适用于物位计的应用主要是考虑换能器(探头)的选择及固体物位测量的困难。雷达物位计的应用中要考虑天线和频率的选择。频率有6GHz和26GHz两种,由于6GHz属于淘汰产品,应尽量选用26GHz雷达物位计。26GHz天线种类很多,各有特点:

  

  GDRD55型天线:全四氟(PTFE)密封天线,适合工况较好(测距短,液面稳定)的液体、腐蚀性液体。少量的挥发物对天线只造成轻微污染。

  

  GDRD56,58型天线:

  

  1)不锈钢喇叭天线,适合较干净没有挥发物的工况;

  

  2)不锈钢喇叭加PTFE罩天线,适合有挥发物、粉尘的工况;

  

  3)全朔料天线带PTFE罩天线,适合有挥发物、粉尘、凝结的工况;

  

  4)不锈钢喇叭带吹扫天线,经压缩空气做吹扫风,适合对天线污染严重的工况;

  

  5)加天线延长管和散热管,可用于超高温工况(如钢水);

  

  GDRD57型,全四氟(PTFE)密封自滴型平面天线:适合食品卫生工况。