賈保峰 毛志民 翟紅明 張勇啟

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對各種生產(chǎn)罐體，產(chǎn)品儲(chǔ)罐及地下槽體的液位進(jìn)行精確測量對整個(gè)生產(chǎn)過程中設(shè)備的安全運(yùn)行起著重要的作用。文章通過對拜城縣眾泰煤焦化有限公司生產(chǎn)過程中使用的雷達(dá)液位計(jì)的基本原理、使用特點(diǎn)和影響因素的詳細(xì)介紹，為化工企業(yè)生產(chǎn)中雷達(dá)液位計(jì)測量儀表的選型、安裝和管理提供了參考。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)液位計(jì)；液位；測量；選型

拜城縣眾泰煤焦化有限公司一期建設(shè)1套全焦生產(chǎn)能力為60萬t/a的搗固焦?fàn)t，后續(xù)改擴(kuò)建1套130萬t/a的搗固焦?fàn)t。煉焦過程中產(chǎn)生大量煙氣，其主要成分是煤氣[1]。通過二期建設(shè)的脫硫，脫氨，脫苯等工藝對煤氣進(jìn)行了凈化處理。整個(gè)工藝中分布了各種生產(chǎn)罐體，產(chǎn)品儲(chǔ)罐及地下槽體，其內(nèi)部介質(zhì)的液面高度是整個(gè)工藝控制過程中一個(gè)重要的工藝參數(shù)，因此如何對其液位進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)測，保證設(shè)備可靠運(yùn)行就成為了一項(xiàng)十分重要的課題。

1 概述

工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對容器內(nèi)固體或液體的物位測量的情況，針對此情況，人們制造出了物位測量儀表，并用其能對容器的物位進(jìn)行了相當(dāng)精確的測量。目前已知的物位測量儀表可分為靜壓式液位計(jì)，浮力式液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)，超聲波物位計(jì)，核輻射式物位計(jì)，電容式物位計(jì)，玻璃液位計(jì)，電極式液位計(jì)，音叉料位計(jì)等。雷達(dá)液位計(jì)則是專門測量容器內(nèi)介質(zhì)液位的一種物位測量儀表。

雷達(dá)液位計(jì)是通過天線向被測介質(zhì)物位發(fā)射微波，然后測出微波發(fā)射和反射回來的時(shí)間而得容器內(nèi)液位的一種儀表。雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：第一，無位移、無傳動(dòng)部件、非接觸式測量，不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制，適用于粘度大的介質(zhì)、有毒或無毒衛(wèi)生型介質(zhì)、有腐蝕性介質(zhì)的物位測量[2]。第二，雷達(dá)液位計(jì)沒有測量盲區(qū)，精確度（分辨率）可以做的很高，液位測量誤差最高可達(dá)1mm（特殊情況下可達(dá)到0.1mm），故其是一款精度極高的計(jì)量儀表，可作為商用計(jì)量儀表[2]。

拜城縣眾泰煤焦化有限公司為了清晰準(zhǔn)確的了解生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)各個(gè)容器內(nèi)介質(zhì)的液位變化情況或有無泄漏情況的發(fā)生，需要對焦?fàn)t煤氣凈化回收過程中相關(guān)設(shè)備工作環(huán)境內(nèi)介質(zhì)液位進(jìn)行測量，及時(shí)了解容器介質(zhì)分布情況。公司在一些容器內(nèi)均安裝有雷達(dá)液位計(jì)，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備將液位監(jiān)測信息及時(shí)傳到工業(yè)調(diào)度控制中心，并通過監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境變化，其檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性在安全生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用，下面就其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2 雷達(dá)液位計(jì)的工作原理

2.1 組成概述

雷達(dá)料位計(jì)由天線系統(tǒng)，電子部件，微處理器組成。天線系統(tǒng)的作用是為了發(fā)射微波脈沖和接收反射回波，電子部件將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)，微處理器可以準(zhǔn)確分辨出物位回波去除虛假回波。雷達(dá)液位計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

2.2 測量原理

雷達(dá)料位計(jì)的天線系統(tǒng)發(fā)射極窄的微波脈沖，這個(gè)脈沖以光速在空間內(nèi)傳播，遇到被測介質(zhì)表面，其部分能量被反射回來，被同一個(gè)天線系統(tǒng)接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔與天線系統(tǒng)到被測介質(zhì)表面的距離成正比。通過測量天線發(fā)射波與介質(zhì)液位反射波之間的時(shí)間差與微波波速之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)容器介質(zhì)液位的測量。由于電磁波的傳播速度極高，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔很?。{秒量級(jí)）很難確認(rèn)。所以需要采用一種特殊的相關(guān)解調(diào)技術(shù)，可以準(zhǔn)確地識(shí)別發(fā)射脈沖和接收脈沖的時(shí)間間隔，從而進(jìn)一步計(jì)算出天線到被測介質(zhì)表面的距離[3]。

目前有兩大類雷達(dá)液位計(jì)，一類是發(fā)射頻率固定不變，通過測量發(fā)射波和反射波的運(yùn)行時(shí)間，并經(jīng)過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)。一種特殊的時(shí)間延伸方法可以確保極短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測量。即使工況比較復(fù)雜的情況下，存在虛假回波，用最新的微處理技術(shù)和調(diào)試軟件也可以準(zhǔn)確的分析出物位的回波[4]。這類雷達(dá)液位計(jì)的運(yùn)行時(shí)間與液位距離的關(guān)系為t=2d/c式中：c：電磁波傳播速度；d：被測介質(zhì)液位和測量探頭之間的距離；t：探頭從發(fā)射電磁波至接收到反射電磁波的時(shí)間，單位s。另一類是測量發(fā)射波與反射波之間的頻率差，并將這頻率差轉(zhuǎn)換為與被測液位成比例關(guān)系的電信號(hào)。這種液位計(jì)的發(fā)射不是一個(gè)固定頻率，而是一等幅可調(diào)頻率[5]。

3 雷達(dá)液位計(jì)的安裝及通訊

新疆拜城縣眾泰煤焦化有限公司在工藝罐體反應(yīng)裝置、地下放空槽體、產(chǎn)品存儲(chǔ)設(shè)施、地下水處理設(shè)施均安裝有雷達(dá)液位計(jì)。自雷達(dá)液位計(jì)安裝以來，總體使用效果良好，在長期的使用和設(shè)備維護(hù)過程中了解了設(shè)備的特性并積累了大量的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。

3.1 安裝要求

天線發(fā)射微波脈沖時(shí)，都有一定的發(fā)射角。從天線下緣到被測介質(zhì)表面之間，由發(fā)射的微波波束所輻射的區(qū)域內(nèi)，不得有障礙物。因此安裝時(shí)應(yīng)盡可能的避開容器內(nèi)設(shè)施，例如：人梯、限位設(shè)備、加熱設(shè)備、攪拌設(shè)備、支架等。另外須注意微波波束不得與加料料流相交。雷達(dá)液位計(jì)設(shè)計(jì)安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）最高液位不得進(jìn)入液位計(jì)測量盲區(qū)。

（2）液位計(jì)距容器壁必須保持一定的距離，一般不少于200mm。

（3）液位計(jì)的安裝方向應(yīng)盡可能使天線的發(fā)射方向垂直于容器內(nèi)被測介質(zhì)的液面。

（4）如液位計(jì)安裝在防爆區(qū)域內(nèi)，必須遵守國家防爆危險(xiǎn)區(qū)的安裝規(guī)定。

（5）防爆型液位計(jì)的外殼采用壓鑄鋁金屬材料。

（6）防爆型液位計(jì)可以安裝在有防爆要求的場合，液位計(jì)必須可靠接地。

（7）對于錐形容器，且容器頂部為平面，則液位計(jì)的最佳安裝位置是容器頂部中央的位置。

（8）對于安裝在室外或者極其潮濕環(huán)境的液位計(jì)，應(yīng)做遮陽，防雨和防潮處理。

（9）被測容器接管的長度必須保證探頭伸出接管10mm以上[6]。

（10）儀表不可安裝在拱形或圓形的灌頂位置，容易造成多次反射回波，影響測量精度。

3.2 雷達(dá)液位計(jì)的通訊

雷達(dá)液位計(jì)的通訊系統(tǒng)的最基本的構(gòu)成包括專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，探測器，信號(hào)處理單元，及其通訊線路。其構(gòu)成應(yīng)滿足以下要求：

（1）選用4～20mA輸出作為通訊信號(hào)，將輸出信號(hào)傳遞到信號(hào)處理單元在中央控制室電腦顯示并設(shè)定相關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)及報(bào)警記錄設(shè)備。

（2）若液位信號(hào)達(dá)到報(bào)警值以后立即觸發(fā)相關(guān)聯(lián)鎖裝置使液位遠(yuǎn)離報(bào)警液位。

（3）雷達(dá)液位計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用專用的信號(hào)處理單元，具有獨(dú)立的供電電源和備用電源，不能接入其他信號(hào)處理單元，以避免數(shù)據(jù)處理紊亂。

（4）按照雷達(dá)液位計(jì)安裝規(guī)范設(shè)置液位報(bào)警記錄設(shè)備，報(bào)警的歷史數(shù)據(jù)能夠作為分析處理故障的依據(jù)。

4 影響雷達(dá)液位計(jì)測量的因素

4.1 壓力

雷達(dá)液位計(jì)雖然在傳播微波信號(hào)時(shí)不受容器內(nèi)空氣密度的影響，所以在真空或受壓的環(huán)境下也能正常工作。但是由于液位計(jì)的結(jié)構(gòu)原因，當(dāng)容器內(nèi)的壓力高于某一范圍時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)就會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差，故其在使用過程中不能使容器內(nèi)壓力超過該允許壓力。當(dāng)然不同公司的產(chǎn)品使用過程中對容器的最高壓力要求是不同的，選型時(shí)需特別注意。

4.2 溫度

雷達(dá)液位計(jì)在傳播發(fā)射微波時(shí)，不需要空氣作為傳遞介質(zhì)，故容器內(nèi)空氣的溫度變化對微波的傳播速度沒有任何影響。但是，雷達(dá)液位計(jì)的天線系統(tǒng)，電子部件，微處理器卻不耐高溫，所以高溫環(huán)境中雷達(dá)液位計(jì)測量會(huì)有部分誤差，必須保證天線系統(tǒng)處于合適的工作溫度下才能正常工作。

4.3 被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)

介質(zhì)的相對介電常數(shù)是由其本身決定的，因此不同的介質(zhì)擁有不同的相對介電常數(shù)。如果介質(zhì)的相對介電常數(shù)過小，則會(huì)造成反射微波的衰減增大，造成反射微波的信號(hào)極大地衰減，影響測量數(shù)據(jù)。

4.4 液體的湍動(dòng)和氣泡

液體的湍動(dòng)和氣泡不僅會(huì)造成微波的散射和吸收，還會(huì)造成微波的反射和折射，二者都會(huì)使反射回的有效微波信號(hào)的強(qiáng)度受到極大地衰減，影響雷達(dá)液位計(jì)的正常測量。

5 雷達(dá)液位計(jì)的管理措施

雷達(dá)了液位計(jì)自投入運(yùn)行以來，提高了對生產(chǎn)現(xiàn)場容器液位在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，通過對容器液位精確的測量、監(jiān)測和聯(lián)鎖保護(hù)給操作工人判斷設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中設(shè)備運(yùn)行狀況提供了很好的依據(jù)，直接為生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

由于化工生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，容器液位的測量受到多方面的影響，如果不能精確的測量出容器的液位變化情況，極易發(fā)生不可挽回的安全事故，造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。針對如何解決化工生產(chǎn)中雷達(dá)液位計(jì)的安裝、使用、維護(hù)和故障處理，提出以下建議：

（1）針對被測量介質(zhì)的屬性，測量環(huán)境和容器結(jié)構(gòu)等狀況進(jìn)行雷達(dá)液位計(jì)的選型工作。

（2）嚴(yán)格按照雷達(dá)液位計(jì)的安裝規(guī)范，進(jìn)行液位計(jì)的安裝。

（3）必須嚴(yán)把采購時(shí)雷達(dá)液位計(jì)的質(zhì)量關(guān)，必須嚴(yán)格按規(guī)定采購符合國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

（4）必須保證雷達(dá)液位計(jì)安裝前經(jīng)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量部門進(jìn)行檢定，檢定合格后，方可投入使用。并建立檢定臺(tái)賬，確保雷達(dá)液位計(jì)按時(shí)進(jìn)行檢定，測量值準(zhǔn)確可靠。

（5）建立雷達(dá)液位計(jì)安裝使用臺(tái)賬，掌握其分布，及時(shí)記錄更新每臺(tái)儀表的測量數(shù)據(jù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)化管理。

（6）加強(qiáng)對設(shè)備的日常維護(hù)工作，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，及時(shí)處理。

（7）對于特殊重點(diǎn)容器內(nèi)液位計(jì)的安裝使用，可使用雙液位計(jì)，即安裝兩種不同測量方式的液位計(jì)，強(qiáng)化了容器液位測量的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：拜城縣眾泰煤焦化有限公司）