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導波雷達物位計:在惡劣條件下應對水平探測的挑戰

作者: 來源: 發布時間:2019-02-23 09:22:37

    在測量散裝固體,液體以及介于兩者之間的所有物質時,導波雷達物位計技術現在提供了比以往更多的液位檢測功能。對于不斷擴大的以前難以測量的產品,如熔融硫,液氨和石化產品,導波雷達物位計即使在惡劣的化學環境下,工作溫度和壓力的廣泛變化以及低介電常數下也能提供精確的液位測量。在使這些單元更容易配置到各種過程應用以及將這些設備與大多數數字通信協議集成的簡單性方面也取得了很大進展。
    快速檢查導波技術如何與其他飛行時間技術(如通過無線電雷達和超聲波)進行比較,并討論應用指南 - 可以闡明這項新技術可為工程師帶來的好處需要改進流程操作。

引導波技術
    由于導波雷達物位計沒有移動部件,因此雷達已經在水平 測量中建立了一個占主導地位的利基,它可以快速地與機械裝置保持距離,而機械裝置在骯臟的服務中也不能保持。雷達通過測量傳輸信號的飛行時間來實現其非機械水平檢測能力。
    更準確地稱為時域反射計(TDR),該過程涉及將微波能量發送到容器中。當雷達能量脈沖到達產品(由阻抗變化表示)時,部分脈沖會反射回發射器。接收器測量發射信號和反射信號之間的準確持續時間 - “飛行時間”。設備會分析此時間并zui終將產品級別顯示為以英尺,米或其他工程單位為單位的距離。
    在水平測量方面,通過空中技術顯然是雷達的先鋒。然而,非接觸(與待測產品)通過空中雷達的主要問題之一是虛假回波的高概率。簡單地將導波雷達物位計指向筒倉的底部允許非制導波從船的側面反彈,返回許多必須在接收端消除的發散信號。部分問題源于雷達波束的廣泛分散,雷達波束以不斷擴大的錐形形狀從發射天線輻射出去。類似的問題也出現在超聲波測量中,其中高達20度的發散角是常規的。
    隨著導波雷達物位計的出現,現在已經克服了這些障礙。雖然從根本上依賴于在通風雷達中使用的相同的常規飛行時間技術,但是導波雷達更進一步,通過直接引入待測產品的“探頭”來控制雷達波束的傳播。通常,波導是特別設計的金屬桿或電纜。由于導向器將雷達信號集中在沿探頭的小直徑(通常小于12英寸)的圓柱體內,因此它不會分散和反射不能代表產品水平的材料。這導致導波裝置具有更高水平的性能和可靠性。此外,配置的簡易性消除了浪費的時間,
    當滿足工程師在正確確定存儲和處理容器內的產品水平時所面臨的現實挑戰時,導波雷達物位計的優勢顯而易見。將導波雷達物位計與空中技術進行比較性能和可靠性結合其他參數,例如容器內壁的反射率和內部油箱障礙物(即管道,噴嘴,梯子等),通常需要使用筆記本電腦來配置通風儀器,以便準確讀取產品水平。此外,非接觸式雷達裝置對工藝條件的變化非常敏感,例如產品堆積和冷凝。類似地,超聲仍然高度受到罐狀況和氣相的影響,這會影響聲速。如果未在接收器處正確設置,則可能導致讀數變化和不準確。另一方面,導波雷達物位計背后的基本理論首先有助于防止虛假回波。因此,與通過空中設備相比,性能水平可以得到改善。

信號強度,以及它在提高 性能方面的作用
    乍一看,通過簡單地增加導波雷達物位計信號的功率,似乎很容易增加信噪比(S / N)。然而,面對這一策略,飛行電子和傳感器電路的功率非常有限,以便使用4-20 mA的工業標準模擬輸出和回路供電的變送器。導波技術背后的一個基本優勢是需要更少的能量,因為微波沿著波導集中。
    無引導雷達具有許多來自不同 表面的 返回信號,這些信號會影響精度,不像導向雷達只需要考慮一個信號反射。這允許 變送器更準確地測量。
    導波雷達物位計允許在zui需要的地方集中能量,因此它比通過空中雷達的效率高20倍,后者在光束傳播中丟失了大部分信號。因此,導波需要更少的功率。這反過來又有助于提高S / N比。
快速響應時間也可以提高性能
    環路供電的通風設備必須存儲和積累能量以處理脈沖傳輸和信號處理。通過平均和信號處理,來自湍流或快速移動產品的返回信號可以輕松地移出被分析的窗口。此外,由于通風和超聲波設備需要更多的信號調理來清除雜散信號,因此浪費了額外的時間。因此,不準確的讀數會增加風險。通過空中雷達使用“模糊”邏輯為每個目標分配概率水平,并且所需的信號處理導致慢響應時間和多秒更新速率。另一方面,導波雷達物位計每秒zui多可讀取10個讀數,產生幾乎瞬時的響應。

克服介電障礙
    在具有低介電常數的產品中獲得準確的讀數對大多數雷達發射器提出了zui大的挑戰,因為獲得反射信號變得越來越困難。雷達波部分地穿過非導電材料,如液體丙烷或丁烷,使得傳統上難以獲得準確的水平。
    在導波和通過空中雷達中,將信號從發射器傳送到過程連接的同軸電纜通常具有50歐姆的阻抗。理想情況下,如果可以沿著雷達波束的整個行程長度保持相同的阻抗,則所有反射信號都會從產品中反彈。然而,實際上,當從同軸電纜變為空氣時,發生大的阻抗變化,導致信號的大量損失。
    導波雷達物位計通過使用由不銹鋼管保護的單個探頭來回避測量低電介質的挑戰,該探針的功能類似于圍繞整個探頭長度的小型同心屏蔽,從而使整個組件具有同軸結構。該管充當地平面以幫助引導能量。它沿整個波導保持恒定的阻抗。然后,同軸傳感器可以檢測到更微妙的介電變化,并正確地指示產品的水平。通過空中雷達也可以使用類似的管道布置來引導能量并測量較低的電介質。然而,對于throughair雷達而言,這種操作模式更容易積聚,并且非常依賴于管道配置和構造。
    引導式雷達物位計還允許特殊探頭配置通過考慮能量在穿過產品時的速度變化來執行間接測量。以這種方式,可以在其他方法過去失敗的應用中測量非常低的介電產品,通常低至1.3。

測量長跨度(距離)
    現代雷達發射器現在能夠測量非常高的筒倉和坦克的水平。一些導波雷達物位計設計用于覆蓋200英尺以上的距離。 通常,在如此寬的范圍內獲得高分辨率讀數是極其困難的,特別是考慮到雷達波以大約每英尺1英尺的速度行進。例如,一個100英尺的筒倉可能只包含四英尺的產品。這意味著反射波返回發射器的時間差僅比坦克空的時間快8納秒。要獲得此類電平的四分之一英寸精度,設備必須以皮秒為單位進行測量。
    一些導波雷達物位計和直通發射器利用包括非常穩定的斜坡發生器的專用電子電路。這些產生的信號波形復制了反射波形,盡管時間框架要慢得多。只有高度穩定和精確的電子設備才能在整個范圍內獲得數萬英寸的分辨率水平 - 足夠精確,以滿足大多數應用的需求。然而,由于微波能量聚焦并沿著波導傳播,導波雷達提供了明顯優于通風的優勢,這使得該技術更適合于長測量長度,特別是低介電產品。

導波雷達物位計的應用指南
骯臟的服務條件
    對于處理產品的行業而言,獲取準確水平的產品長期存在困難。特別是,石蠟堆積(在石油化學過程中經歷)和熔化的硫能夠在它們接觸到的所有物體上積聚,包括導波雷達物位計。
    依賴于同軸以及雙桿或雙纜波導的導波雷達物位計在這里特別不利。當產品堆積橋接兩個桿之間的間隙時,問題就出現了,由于兩根線之間的阻抗改變,使得該單元不能工作。
    解決該應用困境的優選布置涉及使用懸掛在罐中的單個電纜或桿 - 許多導波雷達物位計所依賴的配置。單個波導上的積聚對發射器的操作影響很小。然而,這種配置限于更高的電介質,除非將單個探針/電纜組件插入外部靜止阱中,使其適合于測量下部電介質。事實上,一個導波雷達制造商zui近在靜止井內使用了這種單桿方法,并實現了確定三暢儀表低介電熔鹽罐中水平的目標。以前的機械測量裝置在罐排水時無法承受冷卻硫的反復結塊。

在高湍流容器內安裝雷達發射器
    導波和通風雷達都可以配置為在高湍流環境中運行。雖然導波雷達在湍流容器條件下比通風雷達提供更好的性能(因為它們的光束更窄),但必須采取特殊的預防措施。在探頭或通過空氣信號周圍安裝一個簡單的靜水井(以平息產品)將保持更恒定的水平讀數。
    通常井直徑為4英寸或更小的靜水井將沿其長度鉆孔,以使產品與雷達信號保持完全接觸,從而可以獲得高精度的水平測量。通過空中雷達使用這種方法但是需要非常精確的靜止井結構,具有嚴格的公差和特殊焊接。此外,安裝和對準對于通過空氣雷達靜止井是至關重要的,并且不正確的設置有時可以反映錯誤的讀數。
    另一方面,導波雷達物位計幾乎不依賴于關鍵的靜止井構造和對準。由于已經高效的波導路徑,雷達信號滑過任何切口并直接向下延伸到產品。由于信號包含在波導內,并且能量進一步集中在靜止井中,因此湍流的影響zui小。

可用的選項以確保zui佳配置
    如果工藝工程師歡迎今天雷達發射機的任何進步,那么易于配置的系統肯定會位居前列。沒有什么比試圖將一個適合所有變送器裝入特定應用中更令人沮喪的事情,這種應用會對確定產品水平造成特定障礙。

導波雷達物位計安裝注意事項:
    我們三暢儀表目前可以提供全系列的液位計,安裝,耦合器和探頭類型; 因此,精確的解決方案幾乎可以與任何應用相匹配。例如,容納單根或同軸電纜的各種探頭 - 其中一些可以彎曲以適應不同的儲罐,箱或筒倉 - 允許導波雷達單元從工廠到達工廠的zui佳配置。剛性和柔性探頭的可用性允許安裝到各種新的和現有的應用中。當需要時,一些探針甚至可以在現場切割成一定長度。在南非的Secunda,通過使用導波電纜在90°拐角處發射雷達波束的能力允許精確測量冷卻塔內的水平。
    安裝導波雷達物位計不如安裝通風設備那么重要,因為后者依賴于天線的精確配置。此外,導波雷達物位計可以在較小的開口處工作。一些制造商的導波雷達只需一個NPT開口即可安裝到腔室內。
    在許多情況下,雷達裝置必須安裝在外部腔室內。當先前無效的機械水平檢測器安裝在現有的外部腔室中時,通常會出現這種情況。今天的導波雷達物位計能夠適應各種容器形狀,從而實現更直接的改裝過程。
    在某些應用中,可能需要特殊的儀器外殼。例如,不銹鋼特別適用于海上用途,其中鹽水甚至會腐蝕涂有粉末的鋁。一些導波變送器可提供防爆等級的不銹鋼外殼。一些導波雷達物位計制造商甚至表示愿意創造定制的一次性設計,以滿足極具挑戰性的應用的需求。例如,使用溴幾乎總是需要定制的安裝和包括氣密密封的探頭。容納氫氟酸的罐需要規定由Monel制成的探針,而不是不銹鋼。

通訊選項
    適當的配置還應包括雷達發射機單元的通信能力。許多雷達單元使用內置滾動LCD顯示器“本地”顯示結果,該顯示器提供現場選擇的英尺,英寸,毫米,厘米,米或甚至百分比的測量。但是,設備在整個加工廠的業務系統中無縫地傳遞這些數據的能力同樣重要。導波單元不僅提供4-20mA輸出,還提供各種數字通信功能,如Hart和Honeywell DE。

摘要
    由于能夠在諸如低介電常數,腐蝕性化學環境以及高工作溫度和壓力等不利條件下精確測量各種具有挑戰性的產品,導波雷達發射器的使用率正在提高。事實上,GWR正在成為特定應用的首選測量方法,例如; 原油,丁烷,丙烷,熔融硫,液氨,塑料顆粒,粉末,粉煤灰,漿液,污泥,酸,氯,這個名單還在繼續。
    它們在配置新應用程序和現有應用程序時的靈活性以及廣泛的通信協議選擇也增加了它們的日益普及。由于其直觀的設計和較低的工作頻率(低于1GHz),導波單元通常也比通過空氣單元可比較便宜。
    考慮到上述所有情況,三暢儀表的工藝工程師在應對準確確定其設施的容器罐,箱,筒倉和料斗內的產品水平的挑戰時,可以期待樂觀的未來。對于那些采用導波技術的人來說,“船只”肯定是半滿的。
 

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