董合林

(中海油福建漳州天然氣有限責任公司)

E+H雷達物位計干擾回波抑制曲線的應用①

董合林

(中海油福建漳州天然氣有限責任公司)

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(yōu)化回波質(zhì)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(zhì)量。

雷達物位計 虛假回波 回波質(zhì)量 電子干擾回波抑制 儲罐回波曲線

雷達(微波)物位計基于有源雷達的回波測距原理，可實現(xiàn)安全可靠的非接觸測量，不受物料密度變化影響，有獨特優(yōu)勢[1]，隨著技術的成熟，在工業(yè)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(chǎn)生嚴重的干擾回波，影響測量質(zhì)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(nèi)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(qū)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(tài)/動態(tài)回波增幅置信閾值門限等方法，動態(tài)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(qū)；設置增幅閾值，物位在穿越干擾區(qū)時，界面回波與干擾信號疊加，使回波的波峰位置(能量最強點)發(fā)生偏移，誤差由此而生[2]；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(xiàn)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(zhì)量[3]。

2 復雜環(huán)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(nèi)結(jié)構(gòu)復雜，有隔板(隔板高度1.4m)，距罐壁200mm，隔板內(nèi)側(cè)有兩進料管(內(nèi)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(cè)，近外側(cè)罐壁，罐拱頂凹底，側(cè)開φ600mm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(wěn)液井安裝的E+H脈沖雷達Micropilot M FMR240-45E2APJAC4D，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(wěn)液井內(nèi)徑98.3mm。

裝置投用初期，雷達回波質(zhì)量差，液位測量不準確。判斷原因為穩(wěn)液井加工不合格，且容易掛料。高頻雷達能量較為集中，穩(wěn)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(wěn)液井，拆除穩(wěn)液井檢查發(fā)現(xiàn)開孔毛刺突出。

移除穩(wěn)液井后，液位測量效果大為改善，但仍存在問題，現(xiàn)象是液位測不到零，低液位時采出泵流量與壓力已無法維持，機泵密封磨損，液位仍然指示在800mm左右，偶爾會跳變?yōu)榱?，HART375查看回波質(zhì)量為19dB，回波強，但通過現(xiàn)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[4](即TVT，抑制虛假回波和動態(tài)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)。默認回波最強點為物位，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(zhì)量，回波質(zhì)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(tài)處理更大的強度差別的回波，回波一般用分貝數(shù)表征，導波雷達與連續(xù)調(diào)頻波雷達一般用回波能量毫伏值表示。圖1中除最左端由儀表自身發(fā)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，F(xiàn)EF)功能[5]。

圖1 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。Micropilot 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，并要求抑制范圍最遠至距真實物位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(zhì)量。

圖2 抑制曲線的應用

接收罐物料完全排空時，DCS監(jiān)控液位穩(wěn)定在830mm，偶爾跳到零，VU331現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(diào)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)。

圖3 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(fā)抑制，選項有：“distance=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(zhì)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”，最終，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。

圖4 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(xiàn)了最高只能測到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 M FMR2XX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(nèi)反射特性(包絡線)的變化而改變，可隨容器內(nèi)的動態(tài)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(tài)干擾，曲線以下的信號被忽略，越過線的最強回波將被評定，實踐中發(fā)現(xiàn)其作用不明顯。

4 結(jié)束語

雷達物位計的可靠應用有賴于正確的選型與安裝，安裝環(huán)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(zhì)量，給工藝提供可靠參考。

[1] 董合林,王飛,楊暉.雷達物位計的應用及故障處理[J].石油化工自動化,2016,52(4):50～56.

[2] 李聚剛,趙輝.微波物位計測量干擾因素的研究[J].自動化儀表,2008,29(9):56～60.

[3] Daigle Frank.Method for Recursive Echo Processing in Time-of-Flight or Level Measurement Systems[P].United States Patent：US 7054227,2006-05-30.

[4] 黃波.Siemens雷達液位計在復雜工況中的測量試驗[J].化工自動化及儀表,2005,32(4):80～81.

[5] 張偉,袁夢琦.雷達——創(chuàng)新性的物位測量技術方案[J].世界儀表與自動化,2008,(1):30～33.

TH707

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1000-3932(2017)08-0802-03

2016-12-28，

2017-04-26)

董合林(1981-)，工程師，從事自動化儀表系統(tǒng)的選型、應用工作，donghl6@cnooc.com。