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非接觸式雷達液位計的原理和局限性設計以及安裝校準介紹

作者: 來源: 發布時間:2020-10-26 17:09:20
 測量原理
       雷達液位計應安裝在水箱,艙室/籠子或豎管的頂部。該雷達液位計經由天線,然后向下行進到產品表面發出的微波。
 
在產品表面,它們被反射回雷達液位計的天線。微波在自由空間中的傳播速度就是光速(?300,000 km / s)。
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圖–雷達測量原理
兩種不同的原理用于測量極短的傳輸時間:調頻連續波(FMCW)和脈沖技術。
 
在FMCW方法發射的微波連續地在一個窄的頻率掃描。返回反射的頻率與當前正在傳輸的頻率略有不同,并且頻率差與距離成正比。
 
由于多次反射,有幾個信號混合在一起。因此,雷達液位計必須在內部進行FFT計算以確定所有不同的單個頻率。
 
此信息用于計算回波曲線,系統可以根據該曲線計算距離。
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該方法包括發射微波能量脈沖。測量需要接收回波反射的時間。
 
該時間是水平儀的圖像(即水平儀=速度×時間)。由于具有很高的傳播速度(300,000 km / s),雷達液位計可以在一秒鐘內重復進行數百萬次,而各個信號之間沒有任何干擾。
 
這些信號是周期性的。因此,傳感器在一秒鐘內可以看到數百萬次相同的回波曲線。
 
一種特殊的采樣方法可以將快速回波曲線的時間擴展到較慢的時間范圍。
 

圖–雷達脈沖原理

 
FMCW和脈沖技術產生相同的結果:回波曲線。過去,“脈沖”技術的較低功耗一直是構建環路供電雷達液位計的優勢。
 
如今,兩種技術都提供相同的性能。在準確性,動態范圍,測量范圍或響應時間方面,這兩種測量原理之間不再存在任何主要差異。
 
雷達液位計具有不同的工作頻率。為了測量液體,有低頻(4.5 – 10 GHz之間)傳感器和高頻(24 – 27 GHz)傳感器。
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注意:雷達頻率越高,傳感器的雷達角越窄。
 
例如,對于26 GHz雷達和80 mm的天線孔徑,波束角約為12°。使用79 GHz雷達和80 mm的天線孔徑,波束角僅為約4°。
 
執照
 
應考慮本地許可要求。雷達系統發射射頻能量;當超過一定的功率水平時,許多國家/地區都需要根據通信監管機構的許可。
 
局限性
雷達安裝需要考慮容器的幾何形狀,噴嘴位置和尺寸。因此,必須考慮天線的聚焦(波束角)。與具有較高工作頻率(24 – 27 GHz)的那些液位計相比,具有較低頻率(4.5 – 10 GHz)的液位計更值得關注。
 
需要考慮內部障礙物,例如加熱盤管,豎管,攪拌器等。與具有較高工作頻率(24 – 27 GHz)的那些液位計相比,具有較低頻率(4.5 – 10 GHz)的液位計更值得關注。
 
安裝和故障排除可能需要產品制造商特定的培訓,以及帶有產品制造商軟件的筆記本電腦。
 
在24 – 27 GHz的雷達范圍內無法測量純氨,氯乙烯或甲基氯的水平。這是由于相關的氣體蒸氣會衰減24至27 GHz的波。對于此應用,可以使用4.5 – 10 GHz范圍內的雷達。
 
厚而厚的泡沫會對微波產生很大的阻尼作用。在設計階段應特別注意泡沫的形成。如果過程中產生的厚泡沫導致阻尼過度,則不建議使用雷達。
 
因此,不可能為泡沫應用推薦任何特定的頻率。提供了用于泡沫應用的靈敏度更高的傳感器。
 
雷達液位計可以測量氣液界面,但不能測量液液界面。
 
如果產品的介電常數(DC)低于1.4,則必須考慮選擇適合應用的傳感器或安裝座。介電常數DC是產品的介電常數與自由空間介電常數之比。
 
介電常數越高,產品反射的信號越強。產品的介電常數對精度的影響較小,因為它僅改變振幅,而不改變回波曲線上回波的位置,而對測量的可靠性影響更大。參見下圖。
 
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使用現代高質量雷達,如今甚至可以測量介電常數zui低的產品,例如液體中的LNG / LPG。
 
對于較舊或更不敏感的雷達液位計,可能需要安裝一個靜止井以測量LNG / LPG。一些產品制造商提供帶有特殊電子產品的型號。
 
這種特殊的電子裝置提高了靈敏度,可以在不停頓的情況下進行LNG / LPG測量。通常,對于低于DC <1.4的產品,應要求產品制造商的建議。
 
 表–產品介電常數示例
 
注意:由于某些材料的介電常數低,因此可以通過塑料,玻璃或陶瓷進行測量。
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圖–雷達測量通過塑料容器的液位
 
選拔
產品表面的強烈湍流能夠將微波反射到不同的方向。這也會降低回波幅度。
 
在非常強的湍流中,例如帶有強攪拌器的反應堆,必須考慮雷達的安裝位置。
 
雷達發射器應位于擋板后面。這使得測量非常容易和可重復。
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無論是在湍流表面上使用雷達,還是要考慮使用靜止井或傳感器籠。傳感器籠或靜止井的zui小ID應與雷達喇叭直徑相同。
 
蒸氣凝結和沉積物會影響雷達的測量性能。在這種情況下,可以在安裝法蘭中安裝必要的伴熱管和一塊PTFE圓片,以防止積聚在雷達量規上。也可以考慮使用吹掃。
 
在雷達視錐上使用PTFE屏蔽層可防止腐蝕。
 
直接安裝在無法關閉的容器上的雷達應配備隔離閥(全孔型)。
 
雷達液位計可提供適用于不同應用的各種天線設計和尺寸。
 
雷達液位計可提供不同的材料,密封件和外殼,以適應過程條件和環境。
 
在蒸氣和泡沫中進行測量時,首選低頻(4 – 10 GHz)。
 
高頻(25 GHz以上)由于具有更大的安裝靈活性,因此在大多數其他應用中更可取。(較小的光束角更易于安裝。)
 
高頻微波適用于大多數應用,安裝注意事項少,光束角窄,可以更輕松地避免干擾,并且由于聚焦能量更大,因此可以提供更長的測量范圍。
 
低頻微波提供了更長的波長,可以更輕松地穿透泡沫,重蒸氣和冷凝水。在某些情況下(當干擾回波位于雷達正下方時),寬波束角可以更輕松地通過干擾。
 
設計
可提供不同的天線尺寸和類型,以適應連接要求。
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圖–雷達天線形狀
 
有不同的天線尺寸和設計可供選擇。直徑較大的號角天線是首選解決方案,因為它可以提供更聚焦的波束。但是,天線也需要更多空間,因此過程連接越來越大。
 
封裝的號角天線特別適合腐蝕性或腐蝕性應用。與介質接觸的weiyi材料是PTFE或PFA(沒有密封件或金屬部件與介質接觸)。
 
安裝
雷達液位計可以直接安裝在容器頂部,而無需任何閥門或立管。如果在雷達需要維護時可以中止過程,則可以使用此安裝原理。
 
當雷達安裝在噴嘴中時,應在選擇天線尺寸之前檢查實際的容器或油箱圖紙(例如,噴嘴ID可能比預期的要?。?。
 
這通常發生在高等級法蘭或特定特征(例如長焊頸法蘭)中。
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圖–雷達直接頂部容器的安裝
 
傳感器應垂直于表面安裝。容器頂部的安裝插座應盡可能短。
 
對于帶有喇叭天線的儀器,插座的長度應小于喇叭天線的長度。
 
雷達傳感器對準
 
圖–雷達對準
 
雷達插座或噴嘴雷達安裝
 
圖–雷達插座或噴嘴雷達安裝
 
如果需要接觸天線(例如維護/操作),則應使用全通徑球閥。
 
注意:非接觸式電子測量通??梢栽诓魂P閉過程的情況下卸下。
 
這樣可以減少對微波的影響,并可以進行可靠,準確的測量。
 
如果需要卸下錐形天線以進行維護(清潔),則使用全通徑閥是一種解決方案。無需打開水箱即可更換電子雷達。
 
雷達全通徑球閥
 
圖–雷達全通徑球閥
 
在靜止井或室/籠管上安裝非接觸式雷達傳感器時,ID的zui小值應為喇叭直徑。
 
注意:如果靜止井或腔室/籠子ID不一致,則可以配置特殊參數。
 
靜止安裝雷達
 
圖–使用靜井安裝雷達
 
使用腔室安裝雷達
 
圖–使用腔室/籠管安裝雷達
 
對于絕緣容器中的應用,建議也將噴嘴,球閥,法蘭和儀器的一部分絕緣。
 
這樣可以防止在天線和噴嘴上結露和堆積,并提高了測量的可靠性和安全性。
 
浮頂儲罐
在某些浮頂應用中,使用雷達而不是液體來測量浮頂可能是有益的,甚至是weiyi的方法。
 
傳感器應垂直于表面安裝。在此應用中,雷達跟蹤屋頂而不是液體。
 
應在雷達中輸入一個偏移量,以考慮車頂的厚度。
 
雷達將跟蹤水平面直到屋頂腿降落的地方。當支腿降落時,即使水平高度明顯降低,雷達也會顯示屋頂的位置。
 
雷達液位的精確度受限于屋頂對液體的跟蹤程度。密封摩擦會影響屋頂上下移動的自由度。在某些情況下,屋頂在填充和清空過程中可能會粘住,這可能導致測量錯誤。如果屋頂上積雪很多,則雷達儀表可能會開始測量而不是屋頂上的雪/水。
 
如果將雷達安裝在外部浮頂儲罐中,則雷達需要獲得聯邦通信委員會(FFC)許可證。
 
雷達液位計具有FCC第15部分許可,該許可對于常規儲罐安裝有效。在外部浮頂情況下,雷達儀表處于“露天”狀態,FFC部件為90;需要提供許可證。
 
該應用程序很簡單,可以在線制作。本段與位于美國境內或美國法規為強制性且適用FCC法規的安裝有關。
 
如果車頂不平坦,則雷達需要在車頂上安裝水平反射器。對于浮橋稍微傾斜的外部浮頂儲罐,通常是這種情況。
 
反射器的zui小長度應為50 mm×50 mm(通常使用75 mm×75 mm)。反射器應安裝在浮頂上的區域,且金屬障礙物應盡可能少,并水平安裝。
 
校準和配置
非接觸式雷達液位計zui初在出廠時已使用初始介電值(例如1.6)進行了校準。
 
干校準:手動調整零和滿刻度值。這些刻度值代表要測量的zui小和zui大水平。這些設置可以原位進行或不進行。
濕法校準:必須考慮濕法校準,以考慮由于內部容器形狀而引起的所有錯誤回波。電子記錄這些錯誤的回聲。這些錯誤的回波將被過濾,并且在電平測量期間將不再考慮。濕校準應在實際的低電平下進行,以便檢測所有潛在的干擾反射。
 

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