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雷達(dá)液位計(jì)是如何液位測(cè)量的及出現(xiàn)故障的原因分析

閱讀:1216        發(fā)布時(shí)間:2019-7-9

雷達(dá)是利用電磁波傳播過程中折射性和快速性而研發(fā)的一種空間測(cè)距電子儀器,初用于國防及航空導(dǎo)航。隨著科學(xué)技術(shù)的推廣,雷達(dá)逐漸用于工業(yè)和民用領(lǐng)域,并衍生出眾多型號(hào)產(chǎn)品,應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中液位測(cè)量的雷達(dá)液位計(jì)就是其中的一類。
 

 

雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理

雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理和軍工中的雷達(dá)一樣,都是通過電磁波的直線傳播特性測(cè)量周圍空間的凈空距離,即被測(cè)物體距離雷達(dá)的直線空間距離,具體到工業(yè)生產(chǎn)中就是液體的液面到雷達(dá)天線的空高。通過對(duì)雷達(dá)液位計(jì)組態(tài)可設(shè)定雷達(dá)天線到容器底部的垂直距離,根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的液面空高就可計(jì)算出液體的液位高度。

 

測(cè)量原理公式為H=L-CT/2

 

C為電磁波的波速即光速, T為電磁波從發(fā)射到接收所用到的時(shí)間,L為雷達(dá)天線距離容器的低端的垂直高度,H為被測(cè)液體的高度。

 

工業(yè)中的液位檢測(cè)不同于軍工航空動(dòng)輒幾十上百千米的空間測(cè)距,生產(chǎn)中的液位檢測(cè)距離都較小,高范圍的儲(chǔ)罐液位檢測(cè)也就一二十米的垂直高度,這樣的距離空間相對(duì)于光速傳播的電磁波來說可以忽略不計(jì),于是上述的測(cè)量方式很難實(shí)現(xiàn),因?yàn)槿祟悷o法制造出不用時(shí)間的電路處理儀表。

 

為使雷達(dá)測(cè)距應(yīng)用于工業(yè)中的液位檢測(cè),生產(chǎn)廠商使用了高頻的無線電波,使用線性調(diào)頻連續(xù)測(cè)距的方法,讓天線發(fā)射的電磁波的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行改變,接收器接收到的反射電磁波頻率與此時(shí)的天線發(fā)射頻率是不同的,通過計(jì)算兩者的頻率差,換算得出電磁波在空間傳播的時(shí)間,從而能夠計(jì)算出被測(cè)液位的高度。雷達(dá)液位計(jì)的構(gòu)造

 

不同廠商所生產(chǎn)的雷達(dá)液位計(jì)形式各異,但總體的部件大體是一致的,其主要包括電路部分(雷達(dá)波發(fā)生器、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理),天線及接收器和安裝附件表體三大部分。根據(jù)天線的不同,雷達(dá)液位計(jì)可分為導(dǎo)波雷達(dá)和普通雷達(dá)兩大類型。

 

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)是在電磁波發(fā)射器的下方安裝了一個(gè)金屬導(dǎo)波體,讓高頻的無線電波沿著金屬體垂直向下傳播,當(dāng)電磁波碰到被測(cè)物質(zhì)的液面時(shí),電磁波會(huì)在接觸面反射,沿著波導(dǎo)體垂直的返回到雷達(dá)液位計(jì)天線內(nèi)部的接收器中,然后處理電路進(jìn)行分析計(jì)算,得出被測(cè)液體的液面高度。根據(jù)金屬導(dǎo)波體的不同,導(dǎo)波雷達(dá)又分為纜式和桿式兩大類。

 

纜式導(dǎo)波雷達(dá)的導(dǎo)波體為一個(gè)柔性的不銹鋼金屬繩,其末端栓一金屬重物,以保證金屬繩在被測(cè)液體中垂直的伸入到容器底部,防止金屬繩在使用中漂浮擺動(dòng)而彎曲。這樣結(jié)構(gòu)的雷達(dá)液位計(jì)主要用于底下罐、零位罐等地面以下的液位測(cè)量中。

 

桿式導(dǎo)波雷達(dá)的波導(dǎo)體根據(jù)導(dǎo)波桿及天線的不同又分為很多種,有金屬桿式的導(dǎo)波雷達(dá),有通過金屬管的喇叭天線式的導(dǎo)波雷達(dá),有帶有旁通測(cè)量筒的導(dǎo)波雷達(dá)。這些導(dǎo)波雷達(dá)主要用于高出地面的儲(chǔ)罐液位測(cè)量或生產(chǎn)設(shè)備塔器儲(chǔ)罐可以側(cè)裝旁通管的液位測(cè)量。 西安賽譜自動(dòng)化儀表技術(shù)有限公司

 

普通雷達(dá)液位計(jì)

普通雷達(dá)液位計(jì)的天線,只是一個(gè)電磁波的發(fā)射接受裝置,其電磁波發(fā)射后通過氣相自由傳播,由于雷達(dá)液位計(jì)電磁波為高頻的微波信號(hào)發(fā)散傳播性差,而且被測(cè)液體距離雷達(dá)液位計(jì)的高度小,其電磁波傳播過程可看成垂直傳播,因此這種雷達(dá)液位計(jì)滿足液位測(cè)距要求。相對(duì)于導(dǎo)波雷達(dá)少了導(dǎo)波體節(jié)省費(fèi)用方便安裝,在儲(chǔ)罐等較高液位測(cè)量中得到大量的應(yīng)用。

 

根據(jù)天線的不同生產(chǎn)廠商制作了不同型號(hào)的雷達(dá)液位計(jì),以適應(yīng)不同工況環(huán)境。廠里使用的普通雷達(dá)液位計(jì)的天線有喇叭口、水滴形(防液體揮發(fā)凝結(jié))、偏心型(防多重反射電磁波干擾)、寬口喇叭口(防氣相介質(zhì)衰減電磁波)四種類型。

 

電路處理部分

根據(jù) 雷達(dá)液位計(jì)處理電路的復(fù)雜程度,雷達(dá)液位計(jì)分為單路測(cè)量的普通模式和多重處理信號(hào)的總線模式。多重信號(hào)處理不僅能處理雷達(dá)電磁波測(cè)距的液位信號(hào)也可處理熱電阻的溫度測(cè)量信號(hào),并可通過總線的方式把多臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)連接起來,通過一根總線遠(yuǎn)傳到控制室內(nèi)。適用于儲(chǔ)罐眾多布局分散的大中型儲(chǔ)罐系統(tǒng)的液位測(cè)量,節(jié)約了傳輸線纜的鋪設(shè)和費(fèi)用。

 

雷達(dá)液位計(jì)故障分析及處理

雷達(dá)液位計(jì)從測(cè)量原理上看是一種高精度的測(cè)距儀表,雷達(dá)液位計(jì)制造廠商也大肆介紹雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn),如可用于工藝過程中揮發(fā)性氣體、高溫、高壓、蒸汽、真空及高粉塵等惡劣環(huán)境的要求,可對(duì)不同料位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,但實(shí)際使用中雷達(dá)液位計(jì)常出現(xiàn)很多問題甚至失靈無法使用。

 

雷達(dá)液位計(jì)電磁波選取依據(jù)

由雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理可見,雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量過程中的核心是電磁波傳播過程中頻率波的改變范圍,因此天線所接受的雷達(dá)波的頻率,是液位測(cè)量的關(guān)鍵依據(jù)。

 

雷達(dá)液位計(jì)在使用中天線到被測(cè)液體的液面的空間凈空中,充斥著各種頻率的電磁波,這些電磁波大部分都會(huì)通過各種反射、折射傳播到天線內(nèi)部的接收器中,因此雷達(dá)液位計(jì)的接收器接收到的電磁波是一系列的大量的不同頻率的電磁波。

 

怎樣從這雜亂的電磁波中選出真實(shí)的液面反射來的電磁波,是雷達(dá)液位計(jì)能否準(zhǔn)確測(cè)量液位的關(guān)鍵,這就需要一個(gè)選頻電路。選頻電路選擇的依據(jù)是根據(jù)接受到的電磁波的能量來進(jìn)行衡量。

 

電磁波在傳播過程中受氣相介質(zhì),被測(cè)介質(zhì)的反射折射,金屬容器壁等物質(zhì)的碰撞吸收,能量會(huì)不斷減弱,反射的次數(shù)越多能量損失越大,經(jīng)過的距離越長能量損失越大。由于電磁波是垂直于被測(cè)液體的液面發(fā)射,其電磁波在被測(cè)液面的反射率大(折射率?。?,可近似為全反射,其在被測(cè)液體液面的能量損失,是所有電磁波回波損失小的。垂直于被測(cè)液面的空間距離是所有電磁波傳播中短的距離,這個(gè)反射的電磁波在氣相空間傳播中能量損失也是小的,由此兩點(diǎn)被測(cè)液位反射回來的電磁波的能量是所有電磁波頻譜中大的,由此雷達(dá)液位計(jì)的選頻電路得出被測(cè)液體的空高,從而計(jì)算得出被測(cè)液體的高度

 

雷達(dá)液位計(jì)使用中的問題

雷達(dá)液位計(jì)電磁波選頻可以知道,返回接收器的電磁波的能量大小是雷達(dá)液位計(jì)選用電磁波頻率的依據(jù),從而決定著雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。如果正常使用中,被測(cè)液體所反射的電磁波的能量不是高的電磁波,那么雷達(dá)液位計(jì)就會(huì)選用其他的不真實(shí)的電磁波頻譜,此時(shí)就會(huì)造成被測(cè)液位失真。

 

造成這種現(xiàn)象的原因,大體可以歸為以下幾點(diǎn):

 

一、被測(cè)液體與雷達(dá)天線之間的凈空中有較大面積的反射物,致使電磁波在到達(dá)液面之前被反射。造成這種現(xiàn)象的原因主要為:

1、被測(cè)容器內(nèi)部有攪拌器、加熱盤管、管線等金屬物體,如果這些金屬體裸露在被測(cè)液體的外部,而且正處于電磁波垂直傳播的方向,如攪拌機(jī)旋轉(zhuǎn)中的漿液轉(zhuǎn)動(dòng),就會(huì)造成電磁波被提前反射回來,而造成被測(cè)液位偏高。

2、雷達(dá)液位計(jì)安裝地點(diǎn)距離容器壁太近或不垂直與被測(cè)液面,使電磁波在傳播中照射到容器內(nèi)壁而提前反射回來;電磁波在被測(cè)液面反射過程中沒有原路返回(斜射時(shí)),致使雷達(dá)液位計(jì)檢測(cè)不到反射電磁波;液面反射的電磁波經(jīng)多重反射能量損失過多,而沒有被選頻電路選中,以上多種情況造成雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量失真。

 

二、波導(dǎo)體(繩纜、桿)上有掛料,電磁波沿著波導(dǎo)體傳播中,在沒有到達(dá)液面前遇到波導(dǎo)體上面的掛料而反射回來,產(chǎn)生虛假液位。安裝的波導(dǎo)管不垂直與雷達(dá)液位計(jì),造成電磁波斜射到波導(dǎo)管的內(nèi)壁,而產(chǎn)生如同容器內(nèi)壁一樣的反射或多重反射而使測(cè)量失真。
 

三、被測(cè)液體與雷達(dá)天線之間的凈空中,氣相介質(zhì)蒸汽濃度太大,致使電磁波在空間傳播中,能量損失太大,甚至反射波根本到達(dá)不了雷達(dá)液位計(jì)的接收器。

被測(cè)液體有加熱要求,上部安裝攪拌機(jī)的情況下尤其嚴(yán)重,由于被測(cè)液體在加熱攪拌中不斷有蒸汽揮發(fā),會(huì)造成液面以上的空間中充滿了高濃度的介質(zhì)蒸汽,其微小的液體顆粒不僅對(duì)電磁波產(chǎn)生漫反射而且會(huì)吸收大量的電磁波能量,使電磁波出現(xiàn)很大衰減,造成雷達(dá)天線無法接受回波信號(hào)。

被測(cè)液體中含有水份時(shí),揮發(fā)的水蒸氣對(duì)于電磁波的吸能更加嚴(yán)重。由于水汽具有易冷凝的特性,氣相空間含有的水汽在罐頂罐壁附近會(huì)逐漸冷凝,積聚在一起形成較大的水汽滴,充斥在液位上方的空間里,對(duì)于電磁波具有強(qiáng)烈的吸能作用,致使電磁波的能量衰減過大無法到達(dá)雷達(dá)接收器,造成雷達(dá)液位計(jì)*失去工作能力。

 

四、雷達(dá)液位計(jì)天線附著贓物,致使電磁波剛剛發(fā)射出就被反射回來,甚至根本發(fā)射不出去。這樣的狀況即使使用防凝結(jié)的水滴形天線,也無法避免雷達(dá)液位計(jì)的突然失靈。

雷達(dá)液位計(jì)天線附著贓物是被測(cè)介質(zhì)揮發(fā)的升級(jí)加重,被測(cè)液體凈空中大量充斥著氣相蒸汽,其會(huì)附著在雷達(dá)液位計(jì)的天線上,特別是易冷凝的高粘介質(zhì),雷達(dá)液位計(jì)安裝在儲(chǔ)罐頂部溫度較低,揮發(fā)的介質(zhì)蒸汽極易在雷達(dá)天線上凝析附著,造成電磁波發(fā)射困難,情況嚴(yán)重時(shí)介質(zhì)甚至在天線上結(jié)焦,損壞天線。

同樣被測(cè)介質(zhì)含有水份時(shí),水汽易在天線上附著,致使電磁波發(fā)射不出去,使雷達(dá)液位計(jì)*失靈。

 

五、雷達(dá)液位計(jì)電路中的保護(hù)措施。雷達(dá)液位計(jì)是一種高科技的測(cè)量儀表價(jià)格昂貴,處于對(duì)儀表本身安全防護(hù)的需要,制造廠商普遍在電路中設(shè)置了很多保護(hù)措施,如超溫保護(hù)、低電壓保護(hù),高液位保護(hù),運(yùn)行故障保護(hù)以及數(shù)據(jù)保持,錯(cuò)誤鎖定等液位檢測(cè)防護(hù)措施。這些防護(hù)措施在日常使用中,如果雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)問題,安全保護(hù)就會(huì)動(dòng)作,造成雷達(dá)液位計(jì)停止工作,此時(shí)需要查找故障原因,清除恢復(fù)后雷達(dá)液位計(jì)才能正常使用。防護(hù)功能隨廠商不同而設(shè)置,集成度高的防護(hù)措施多。如總線式的多功能雷達(dá)液位計(jì),其本身的防護(hù)措施就非常多,日常維護(hù)要非常熟悉。

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