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E+H雷達物位計干擾回波抑制曲線的應用

作者: 來源: 發布時間:2017-09-13 11:44:21
摘 要 闡述雷達物位計的干擾應對措施,介紹電子技術在屏蔽虛假回波中的應用。詳述 E + H 雷達回波和干擾抑制曲線在分析解決測量故障、優化回波質量中的應用。實踐證明該方法切實有效,可以有效提高測量質量。
 
        雷達(微波)物位計基于有源雷達的回波測距原理,可實現安全可靠的非接觸測量,不受物料密度變化影響,有獨特優勢 ,隨著技術的成熟,在工業過程控制領域獲得了廣泛的應用,其應用故障主要為選型與安裝不當,選型不當將無法正常使用,安裝不當會產生嚴重的干擾回波,影響測量質量甚至導致測量錯誤。
 
1 雷達物位計干擾信號處理措施
        安裝三暢雷達物位計時應盡量避免干擾,無法避免的,可用折射板將過強的虛假反射信號進行折射,減小虛假回波的能量密度,使傳感器較容易地將虛假信號濾出。
 
        雷達波沿程可能會遇到干擾源、物位界面等對象,多路反射會被認定為對象在較遠位置。主流雷達回波處理都有獨到之處,通??刹榭椿夭ㄇ€,回波曲線是對容器內狀況的掃描映射反演繪圖,即微波在傳輸沿程反射回波的能量圖譜。盲區附近的波形、真實回波和虛假回波,以及雜散噪聲信號的分布、寬度、強度及信噪比等有關測量性能的因素,都可以通過回波曲線的形式全面反映,使用戶一目了然。
 
        虛假回波的處理基于回波曲線,一般要預先記錄空罐的回波,如 KROHNE 的空罐頻譜檢測記錄功能。常見虛假回波處理方法有屏蔽干擾源、虛假干擾回波注冊消除、多次回波抑制及設置靜態/動態回波增幅置信閾值門限等方法,動態干擾的處理更困難些。
 
        簡單的屏蔽干擾會遮蔽干擾點附近的所有回波信號,帶來測量盲區;設置增幅閾值,物位在穿越干擾區時,界面回波與干擾信號疊加,使回波的波峰位置(能量zui強點) 發生偏移,誤差由此而生;多次回波抑制可消除因多路反射造成的物位測量偏低的問題;利用圓極化等技術,可以分離界面回波與干擾回波,實現無效干擾回波注冊,干擾回波注冊配合抑制會使液位跟蹤更可靠,可以很大程度上提高測量質量 [3] 。
 
2 復雜環境安裝導致錯誤測量
        某廠真空解析塔接收罐,材料 SS 316L、直徑1.0m、通高 2. 8m、操作壓力 2. 66kPa(A)、操作溫度 70℃,物料為粗酐與少量輕組分 ( 主要為DBP),罐內結構復雜,有隔板(隔板高度 1. 4m),距罐壁 200mm,隔板內側有兩進料管(內徑分別為 40、80mm)從罐頂延伸至距罐底 150mm 處,液位計預留口在隔板外側,近外側罐壁,罐拱頂凹底,側開 600mm 人孔。
 
        裝置工藝引進國外技術,外方原設計液位測量采用放射性液位計,考慮到安裝和維護成本,改用了穩液井安裝的 E + H 脈沖雷達 Micropilot MFMR240-45E2APJAC4D,兩線制、精度 ± 3mm、圓錐天線尺寸 100mm(圓錐外徑 95mm,標注尺寸大于物理尺寸),穩液井內徑 98. 3mm。裝置投用初期,雷達回波質量差,液位測量不準確。判斷原因為穩液井加工不合格,且容易掛料。高頻雷達能量較為集中,穩液井聚波效應弱于低頻,且制作要求高。此臺雷達波束角 8°,測量長度 3m 時波束寬度 0. 42m,于是決定取消穩液井,拆除穩液井檢查發現開孔毛刺突出。
 
移除穩液井后,液位測量效果大為改善,但仍存在問題,現象是液位測不到零,低液位時采出泵液位與壓力已無法維持,機泵密封磨損,液位仍然指示在 800mm 左右,偶爾會跳變為零,HART375查看回波質量為 19dB,回波強,但通過現場操作顯示模塊 VU331 查看回波曲線異常。
 
3、E +H 雷達物位計干擾回波抑制曲線的應用
        由于 E + H Micropilot M FMR2XX 雷達回波處理采用信號包絡估值方法,故回波曲線稱為包絡線,不同于西門子的虛假回波抑制包絡線(即 TVT,抑制虛假回波和動態閾值曲線)。圖 1中的 -0. 01、3. 16 分別代表了此次繪制回波曲線的起點與終點(以儀表測量基準點為參考零點)。默認回波zui強點為物位,圖中的 2. 241m 為所評定物位與參考點的距離,圖中標記出了空標(即零點)、滿標(即量程)和所評定界面的位置。圖中的 36dB 為回波質量,回波質量即為信噪比,反映了物位計應用效果。脈沖雷達回波能量較低,需要動態處理更大的強度差別的回波,回波一般用分貝數表征,導波雷達與連續調頻波雷達一般用回波能量毫伏值表示。圖 1 中除zui左端由儀表自身發射造成的半個波峰和一料面反射波峰外,沒有多路反射波,這得益于其“首次回波因子”(First Echo Factor,FEF)功能 。
理想回波曲線
        圖 2 顯示了兩條曲線,回波曲線與抑制曲線,只有幅度越過抑制曲線的回波才能被評定。Mi-cropilot M FMR2XX 能手動抑制比真實物位高(更接近頂部測量參考點)的干擾回波,并要求抑制范圍zui遠至距真實物位 0. 5m 處,否則抑制干擾的同時也將削弱物位信號。圖 2 中的虛假回波強度小于物位回波,即便不做抑制,物位也能正確評定,但仍建議做電子抑制,以提高回波質量。
抑制曲線的應用
        接收罐物料完全排空時,DCS 監控液位穩定在 830mm,偶爾跳到零,VU331 現場操作模塊查看回波曲線如圖 3 所示,可以看出有虛假回波P1、P2、P3,P1 處干擾源大,但干擾強度稍弱于P2,于是距離雷達 1. 777m 的 P2 被選定。接收罐空標設定為 2. 685m,滿標設定為 2. 400m,由于表內部設置了偏移量,所以液位示值與距離之和不等于空標。(注解:E + H Micropilot M FMR2XX現場操作顯示模塊 VU331 繪制顯示的回波曲線沒有對橫、縱坐標進行標注,但專用 PC 機調試軟件“ToF Tool”顯示的曲線更為精細,明確地把縱坐標標注為 -120 ~ 0dB、橫坐標標注為從零到略遠于空標的距離,筆者沒有此軟件以及相應的通信接口硬件)。
接收罐排空時的回波曲線
        E + H Micropilot M FMR2XX 可以通過組功能“check distance”(051)觸發抑制,選項有:“dis-tance = ok/dist. too small/manual”,當沒有干擾或者干擾回波弱于物位回波時,回波曲線與圖 1 或圖 2 類似,可以選擇“distance = ok”,此時測量值不改變,但回波質量提升。接收罐抑制時首先選擇了“dist. too small”,抑制范圍終止在距空標 0. 5m(即距離測量參考點dist. =2. 185m)處,液位仍然測不到零,于是選擇了“manual”,zui終,輸入抑制間距 2. 6m 后,液位方測到零?;夭ㄇ€和抑制曲線如圖 4 所示。
空接收罐的回波與抑制曲線
        液位投用后,液位趨勢正確,對照外貼高低超聲波液位開關,液位測量值為 220mm 和 1 100mm時開關動作,與液位開關的安裝高度相符,做抑制曲線很大程度上改善了測量。抑制距離接近于空標,但仍然能夠正確測量的原因是液面反射率較高。同時,液位出現了zui高只能測到 1 927mm 的問題———大約在虛假回波 P1 位置,原因是更高液位的回波不能突破抑制曲線,注意圖 4 中抑制曲線與回波曲線的形狀并不完全相同,即此款雷達的增幅閾值并不恒定。
 
        除了預設定抑制曲線外,E + H Micropilot MFMR2XX 還有與抑制曲線作用類似的浮動均線,即對回波幅值取平均的一條曲線,隨容器內反射特性(包絡線)的變化而改變,可隨容器內的動態干擾(如掛料和湍動的液面)自整定其波形,用以抑制小的動態干擾,曲線以下的信號被忽略,越過線的zui強回波將被評定,實踐中發現其作用不明顯。
 
4 結束語
        三暢雷達物位計的可靠應用有賴于正確的選型與安裝,安裝環境不理想時,虛假電子回波抑制可以屏蔽干擾信號,大幅提高測量質量,給工藝提供可靠參考。

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