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        雷達物位計設計選型之六個方面詳細分析

        作者: 來源: 發布時間:2018-03-08 10:28:02

         摘要:從應用角度出發,比較了雷達液位計的接觸與非接觸使用方式的差異,分析了非接觸式雷達的頻率和天線選型、導波雷達的探桿選擇,詳細論述了穩液井的制作要求。闡釋了雷達物位計設計選型之六個方面詳細分析。

         
        雷達(微波)物位計自20世紀70年代出現以來,性價比與日俱增,如今已占物位測量領域市場份額的25%,僅次于壓力(差壓)式物位計。雷達物位計基于有源雷達的回波測距原理,即雷達波(通常采用微波段)在傳播途中介質的介電常數或幾何形狀改變時發生反射。根據雷達波處理方式的不同,雷達物位計分為調頻連續波型FMCW(frequency?。恚铮洌酰欤幔簦澹洹。悖铮睿簦椋睿酰濉。鳎幔觯澹┖兔}沖(pulse)型,前者的處理對象為發射與接收信號的頻率差,后者為時間差。一般而言,采用調頻連續波技術,電子線路復雜,功耗大,大多采用四線制,但信號強、抗干擾能力強、測量穩定、精確度高,多用于儲罐計量;采用脈沖波技術,功耗低,一般用二線制24V(DC)測量回路供電,容易實現本質安全,處理算法成熟豐富,適用范圍廣,更適合于工況復雜多變的過程測量。但近年來隨著測量技術的進步,兩者在測量和使用效果上的差異越來越小,精度都可以達到±1mm以內,都有高速跟蹤液位的表現。另外,還有將兩者結合起來的調頻脈沖波型雷達,其脈沖波的載波是連續調頻的。
         
        1 雷達物位計設計選型
        1.1 雷達物位計綜述
        根據雷達波傳播方式的不同雷達物位計可分為介質接觸式與非接觸式。前者雷達波在導波材料限定的空間內傳播,后者在自由空間里傳播。安裝在自由空間里的非接觸雷達,其微波信號以天線中心為軸線發射,并沿著此軸線在1個限定的錐形束角內(即半功率波束寬度,又稱波束角、輻射角、散射角,有時波束角外的能量也不容忽視)推進傳播,傳播沿程信號以“反比于距離二次方”的速度迅速衰減。因此,測量的關鍵是接收到足夠能量的反射回波,并識別出有效回波。接收的回波能量k可用簡化的雷達方程表示如下:
        20180308102902.jpg
        式中:Pτ———天線輻射功率;C———經驗系數;Gi———由目標表面介電特性及面積決定的反射增益,Gt,
        Gr———天線發射和接收效率;R———天線與目標間的距離。
         
        上述參數是設計、應用雷達物位計必須考慮的重要因數。表1列出了反射回波能量的衰減與雷達物位計4參數的關系。
        反射回波能量的衰減與4參數的關系
        一般來說,雷達波在自由空間傳播的非接觸雷達物位計所接收到的返回信號能量遠小于它所發出能量的0.1%。采用波導體可以約束雷達波的傳播空間,減少散射,大幅提高反射回波的質量,使得返回信號中的干擾性雜散信號極小,簡化回波的分辨處理,從而發射功率也可以更低,故導波雷達一般都采用脈沖式工作原理。
         
        1.2 介質接觸與非接觸的使用方式
        接觸與非接觸的分類依據是雷達波傳播方式的不同,介質接觸即為導波,如果有必要且能夠使用介質接觸式測量方法,接觸式為首選。波導體可以是儀表自帶的探桿,也可以是現場制作的金屬管。介質接觸應用方式包括導波雷達(guided?。鳎幔觯澹洌颍幔洌幔颍?,穩液井(stilling?。鳎澹欤欤┖团酝ü埽ǎ猓穑幔螅蟆。穑椋穑澹铮颉。澹簦澹颍睿幔臁。悖瑁幔恚猓澹颉。铮颉。螅椋洌濉。觯澹螅螅澹欤├锇惭b的非接觸雷達(non-contacting?。颍幔洌幔颉。铮颉。簦瑁颍铮酰纾琛。幔椋颉。颍幔洌幔颉。铮颍妫颍澹澹颍幔洌椋幔簦椋睿纭。颍幔洌幔颍┗驅Рɡ走_;導波雷達探頭形式有同軸、剛性桿、柔性纜,導波雷達的同軸式探頭從本質上來說是小口徑穩液井中心加了1根剛性探桿。與穩液井或旁通管里安裝非接觸雷達相比較,導波雷達是一種簡單的解決方案,兩者目標一致。
         
        1.2.1 適宜介質接觸的工況
        1)非導電介質(1.2≤εr≤2.0,εr為相對介電常數,以下簡稱介電常數)??紤]現場工況時,應特別注意兩點:天線到被測介質間氣相介電常數的分布;被測介質表面狀態及其介電常數。雷達波在界面的反射率與兩介質的介電性差別密切相關,有時,傳輸介質的導電導磁性引發的微波傳播速度變化不容忽視。大部分物質介電常數大于1.4,空氣或真空的介電常數為1.0,雷達波由真空或空氣射向介電常數為εr的物料時,表面反射度R=****************************介電常數在1.0附近的介質反射率(即反射度)低,此時,非接觸式雷達往往接收不到足夠強度的界面反射回波。對于介電常數特別小的液化氣體,優先使用非接觸式雷達并安裝在穩液井上,好于旁通管安裝,后者存在入口管線干擾,如有可能考慮在旁通管內安裝穩液井(管套管);桿式探頭導波雷達安裝在直徑不超過150mm的穩液井或旁通管里,會獲得等同于同軸探頭導波雷達的zui佳效果。非接觸雷達采用間接測量技術,如罐底跟蹤模式,利用物位變化時罐底回波行程的改變甚至可以測量介電常數低至1.05的物料,類似的技術也用在導波雷達上。
         
        2)物料氣相阻礙或吸收雷達波。氣相中存在使雷達波衰減的物質,如含高介電性的粉塵粉末(石墨,鐵合金等),測量距離和效果會受影響。某些物質因自身或與空氣中其他成分發生化學反應而電離成離子,從而使其氣相具有微波吸收性,其氣液兩相介電常數的差別也因此減小,這樣會削弱界面回波。如液氨的介電常數常溫下(25℃)為14.9,不屬于非導電介質,仍應采用穩液井上的低頻非接觸雷達或導波雷達物位計。固體物料堆積往往有一定的安息角,此時應考慮導波雷達。特別是粉狀物料,表面疏松以及介電常數很低的塑料粒子,微波反射相當困難,且氣相中嚴重的粉塵會在一定程度上反射回波。
         
        3)安裝環境復雜。容器內設備的反射會帶來較大干擾,有以下幾種情況:內障礙物較多,比如在非接觸雷達的波束角內有液位開關或溫度傳感器;內有相對于雷達天線即測量參考點對稱的裝置,如加熱盤管、隔板等;球罐和臥罐、水平圓柱形和球形儲罐的罐壁及罐底會帶來較大的反射干擾,可能存在因容器形狀而導致多重回波所產生的干擾影響。特別是容器內障礙物太多或導波雷達的探頭與障礙物太近時,應使用抗干擾能力強的同軸探頭。浮頂罐一般采用穩液井,高精度測量時還要考慮介質氣化對微波傳輸速度的影響。
         
        4)液面湍動及液面有泡沫。液面湍動有可能引起多徑反射,要避免安裝在有很強渦流的地方,如攪拌或很強的化學反應處。表面的泡沫可能會吸收或反射雷達波,視泡沫的導電性而定:對于干泡沫,微波信號可以穿過,直接到達液體表面;中性泡沫可能吸收或散射微波,難以預判;濕泡沫表面會反射微波信號;當介質表面為稠而厚的泡沫時,測量誤差較大或無法測量。相比而言,低頻雷達穿
        透泡沫的能力比高頻強。
         
        采用四線制、大尺寸特殊設計天線、高頻、連續調頻波的非接觸雷達物位計能發射接收到更強的信號,并采用功能強大的微處理器進行復雜的信號處理,可以在很大程度上應對上述四種工況,應用非接觸雷達物位測量方法同樣可測介電常數低至1.2的物料的液面,發揮其優勢;另外,先進的干擾回波鎖定及干擾抑制技術也可以很大程度上克服干擾。但是,相比接觸式測量方式,其價格昂貴。
         
        5)界位測量。導波雷達的低頻波穿透性強,無發散角,回波更強,使其不僅適合測量氣液(氣固)兩相的界面,還可以測量介電常數相差大的上
        層非導電與下層導電液體的界位。典型應用是油水界位測量,但需注意介電常數對雷達波速度的影響,上層物料的介電常數必須精確輸入雷達,液界位已知時則可反算介電常數。
         
         
        1.2.2 不宜接觸介質的情況
        使用介質接觸測量方法就意味著放棄了非介質接觸式測量的優點,以下情況應使用非接觸測量方法:
        1)高黏度、嚴重沉積和結晶的介質。污染物或沉積物容易積聚在探頭或穩液井內壁上。薄的、均勻的積聚物對測量有輕微的影響;厚的積聚物會造成信號衰減并減小測量范圍;厚重、不均勻的粘附物形成結疤處有可能被錯誤地評定為界位,導致不正確的測量。相對來說,同軸探頭與雙探頭抗干擾的能力zui強,也zui容易受掛料的影響。該種情況下,應采用非接觸式測量方法。注意此時一般有加熱盤管、攪拌葉片、攪拌產生的泡沫漩渦、湍動液面、物料揮發、蒸汽等不利測量的因素存在,這些都是非接觸雷達選型安裝時要著重考慮的。
         
        2)探頭容易損傷的場合。容器內安裝攪拌器,有時攪拌器會對探頭產生較大機械負載的場合,橫向切應力可能會折斷探頭,需要機械支架或者安裝應用穩液井和旁通,確認是否采用非接觸式測量儀表更合適;另外,具有強研磨作用的固體塊料,如鐵氧體,會磨損導波雷達的探頭,降低探頭的張力負載,也容易損傷探頭。
         
        1.3 非接觸雷達的高頻與低頻
        頻率影響決定不了精度,精度受雷達信號發射接收方式及回波處理算法的影響。
         
        1.3.1 高頻的優勢
        高頻雷達物位計具有能量集中的特點,應用小尺寸的天線就能獲得小波束角和大的天線增益。天線有“孔徑”和匯聚效應,以普通錐形天線為例,天線尺寸(圓錐天線直徑D)和頻率也決定了散射(波束)角的大小,波長λ越短,波束角越小,增益越大,能量更強更集中,量程更大。如5.8GHz雷達天線尺寸為150,200,250mm時,散射角約為23°,19°,15°;26GHz雷達天線尺寸為40,50,80,100mm時,散射角約為23°,18°,10°,8°。故高頻雷達物位計適合形狀狹高的儲罐,能避開復雜結構罐中的干擾。
         
        測量散料時,回波主要來自粗糙料面的漫反射,漫反射的強度與物料大小成正比,與波長成反比,當反射面的線度與波長相當或更大時,才能發生反射。顯然,工作頻率越高,其波長越小,對于顆粒較小的物料,更易于發生漫反射,而大部分散料的直徑遠小于50mm,故高頻雷達是散裝料物位測量的zui佳選擇,較小的波長可以zui大程度保證發射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面反射回雷達探頭。
         
        1.3.2 低頻的特點
        高頻波穿透介質時,表現更強的散射性,測量空間有粉塵或蒸汽時,散射損失的能量較多,氣體的諧振會對某些頻率的微波產生選擇性的吸收和散射,空氣中的氧和水蒸氣在K波段存在顯著的吸收波峰,故高頻并不總是zui佳選擇。
         
        低頻雷達抗天線掛料和冷凝物的能力強,它較大的波束角和較長的波長使之在液面湍動的情況下能提供zui好的回波。低頻雷達穿透泡沫的能力也強于高頻,受沸騰表面影響小,表面沸騰、冒泡、趨于生成泡沫時,低頻更合適。
         
        1.4 非接觸雷達的天線
        天線是雷達物位計的關鍵部件,天線的材質、形狀和尺寸決定雷達波的聚焦和靈敏度。
        1)圓錐天線與管狀天線。圓錐與管狀天線采用不銹鋼、哈氏合金或鉭等材質,具有聚焦特性優異、物理及化學特性穩定、耐用牢固等優點,適用于絕大多數場合。兩種天線形狀近似,同口徑的管狀天線更長,聚焦性更強,有些管狀天線是專門為管內安裝設計的,套管及近管壁適應性更好。圓錐天線整體包覆PTFE、陶瓷或其他耐腐蝕絕緣材料,做成密封天線,會顯著提高其化學穩定性、抗凝水及抗粘附能力,尤其適用于尺寸小的高頻天線。一體化墊片法蘭天線,即所謂法蘭下置型天線就屬于這一類,其圓錐內藏,本質是放置在一塊高分子絕緣材料板后面的喇叭口天線,板一般呈倒三角錐形,由于微波可穿透,又稱為“窗”,主要用于強腐蝕性或衛生程度要求很高介質的液位測量。
         
        2)絕緣桿天線。絕緣桿天線又稱桿式天線、
        衛生型天線,一般由PPS,PTFE,Teflon等化學高分子材料制成,化學特性穩定,特別適用于強腐蝕性介質或衛生程度要求很高的場合。其冷凝物自流除,易清洗;冷凝水積聚及介質粘附的敏感程度要小于喇叭口天線,這是因為桿式天線有效發射雷達波的面積要遠大于喇叭天線(后者饋源只有筆尖大?。?;其天線的安裝接管尺寸小,特別是帶有金屬屏蔽管的天線可適應更細的安裝接管,可在小管徑及有冷凝和粘附的安裝短管內進行可靠測量,多用于C,X波段雷達,一般發射波束角大,信噪比小,常用于測量條件較好的衛生型、腐蝕性介質的測量。相比其他種類天線,絕緣桿天線抗荷能力差,受力會有變形或折斷的危險。
         
        3)水滴(球)型天線。水滴型天線采用水滴形寬帶振子作為饋源,尤其適合連續調頻波雷達。材質為PP或PTFE等化學高分子材料,橢圓形的結構,表面光滑,不易掛料,容易自清潔。在與錐形天線尺寸同等的情況下,水滴型天線的波束角更小,K波段天線尺寸為80,150mm時,散射角分別為8°,4°,但機械強度弱于錐形天線。
         
        4)拋物面天線。拋物面反射器與焦點處的饋源兩部分組成短背射拋物面天線,波束角可以做到4°或更小,能量集中,干擾回波少,量程更大,適用于測量低介電常數的料面,可用于狹長儲罐。其天線尺寸同樣在C,X,K三波段依次減小,如5.8GHz時,尺寸為450mm的天線可獲得7°的波束角;26GHz時,尺寸為200mm天線可獲得4°的波束角。大尺寸拋物面天線的低頻雷達物位計在嚴重結垢結焦、掛料、蒸汽、冷凝的場合中應用有良好效果對污染zui不敏感,幾乎完全免維護,但拆裝不便。
         
        5)平面陣列天線。平面陣列天線采用平面陣列技術,將若干個小天線組成天線陣,其多點發射源在同一平面內,使得測量參考點由一基準點變成了一基準平面,配以相應電子線路和信號處理方式,可以大幅提高測量精度。普通天線安裝在穩液井內時,其測量精度會顯著降低,且易受管壁平整度的影響,而穩液井專用平面陣列天線,其多點發射源的雷達場模式使得各方向的雷達場能量分布動態均衡(相對于單點發射源線性極化的雷達場能量分布),雷達場能量主要集中于管中心,可有效克服不平整管內壁(焊縫、生銹、掛料等)的影響。平面天線的缺點是抗自身冷凝與掛料結垢的能力弱于其他種類。
         
         
        1.5 穩液井與旁通管的應用
         
        穩液井的材質一般為金屬,導波雷達或伺服液位計可以安裝在金屬、塑料或其他不導電材料制作的豎管里,所有豎管都能隔離工況,去除泡沫,提供穩定的反射面。因此,穩液井也稱穩態管或穩波管,但只有金屬材質才能起到屏蔽干擾與聚波(導波)的作用。當穩液井起導波作用時可稱作導波管,為保證可靠測量,一般有如下要求:
         
        1)管徑。管內徑必須恒定,微波的傳播、衰減模式與微波的頻率和導波管的內徑有嚴格的對應關系,導波管內微波的傳輸速度由管內徑和微波波長決定,內徑減小,速度也會相應減小,管徑必須均勻并精確測量后輸入雷達,雷達內部軟件會對波速變化進行補償,內徑不均將帶來誤差。管內的微波傳輸模態(mode)不止一個,每一模態都有獨一無二的傳輸速度,模態數與雷達波的頻率和管徑相關。為限制模態數,管徑建議為50~80mm,一般不超過200mm。大口徑管里,低頻優于高頻,故高頻雷達更應該使用小口管徑。6GHz,10GHz,26GHz的非接觸雷達管徑尺寸范圍一般為80~200mm,80~150mm,40~100mm,不同管徑應配合相應尺寸的圓錐天線。天線外沿與管壁的間隙越小越好,大間隙可能帶來大的測量誤差,小間隙有助于在惡劣條件(管壁掛料、蒸汽、旁路入口管、焊縫、隔離球閥)下提高精度,增大量程;單探頭導波雷達的相配管徑一般為40~150mm;平面天線管內徑可以達到300mm。低頻比高頻更適于內壁骯臟、掛料、冷凝場合的應用,即內壁粗糙時,低頻優于高頻,故低頻更適于管內安裝。高頻安裝的裝配要求低(如小的波束角允許天線在小距離抬出安裝管時仍能正確測量),但應該用于潔凈場合。應用于粘附性介質,管徑應適當大一些。
         
        2)長度。測量范圍從管末開始,故導波管的末端開口的必須達到需要測量的zui低液位,這樣才能在管中進行測量。
         
        3)內壁光滑。粗糙的內壁反射將帶來強烈干擾,削減有效回波,引發誤差甚至不正確的測量。內壁應避免生銹、掛料、焊縫。管材zui好為無縫不銹鋼管,盡量避免焊接延長。采用預焊接外套管接頭或法蘭延長時,接管需精確對齊,縫隙也有嚴格限制。
         
        4)開孔。開孔的weiyi目的就是導液,以保證管內外界面一致??讖讲淮笥诠軓降模保埃?,大的開孔會帶來虛假回波,孔距至少為150mm(或遵循儀表安裝說明),且至少有一個孔高于液面。開孔面積及數量與介質特性(黏度、分層、混合程度)有關,孔可以單側開或對開,排成縱列,小心去除毛刺。
         
        5)安裝定位。對于微波線性極化的雷達,允許開導液效果更好的長圓孔甚至長方孔(同樣要求寬度不大于管徑的10%),開孔長度和數量不會對測量有任何影響。這是因為其發射的微波有很強的方向性(偏振),整個雷達發射波的能量分布是以近似橢圓形的形狀發射出去的,為減小干擾,一般要求橢圓長軸(極性)方向垂直于干擾源。對于微波圓極化的雷達,所發射微波能量各方向也是不均的,但其極性是旋轉變化的,故安裝無需特定方向。根據反射波的極性識別,可以削減固定干擾源、多徑反射帶來的虛假回波,更好地跟蹤液面回波?,F場安裝時,可嘗試旋轉雷達,同時查看回波質量,以實現zui佳位置安裝。
         
        6)適配的天線與探桿形式。管內一般安裝圓錐和平面陣列天線的非接觸雷達或者導波雷達,絕緣桿天線的非接觸雷達則視具體型號而定。使用平面陣列天線或者導波探桿時,對導波管內壁光滑度要求大幅降低,甚至允許按一定的要求變徑。
         
        7)附件??梢源┻^球閥進行測量,閥必須全開與穩液井同徑對齊,保證雷達與靜液井上球閥或旁通管入口有一定的垂直距離。測量湍動或流動的介質,需要將導波管固定;對于較長的導波管,須考慮分段固定。
         
        絕緣物料反射率低,淺液位時,雷達信號可穿透液位到達罐底,平金屬器底的反射會強于真實料面,此時需在導波管末端安裝斜置的反射板或將導波管末端彎曲,避免朝向器壁及大的金屬內構件。根據需要,穩液井可以按一定要求彎曲。
         
         
        1.6 導波雷達的探頭
        導波雷達的探頭有剛性(rigid?。颍铮洹。穑颍铮猓澹┖腿嵝裕ǎ妫欤澹椋猓欤濉。悖幔猓欤濉。铮颉。颍铮穑濉。穑颍铮猓澹﹥煞N。不便使用剛性探桿(安裝空間受限、長量程運輸安裝困難)時,可使用柔性纜繩,固定末端可使柔性纜繩垂直于傾斜的固體料面;同軸、雙探頭、單探頭結構則根據工況選取,探頭長度可根據量程任意切割。
         
        1)同軸探頭。同軸式探頭雷達能量集中在小口徑的金屬管內,導波沿程阻值恒定,能量傳輸效率高,可檢測到微小的導電(介電)性變化,更適于
        超低介電常數液體物位或界位測量,不受液面湍動的影響,抗干擾能力強,安裝空間要求低,可以近容器內金屬構件安裝或與其他物位儀表裝在同一旁通管內,且互不影響。其結構決定了其適用于低黏度(不大于500mm2/s)清潔介質,不適用于臟污、濃重、高黏度、易結晶的物料。
         
        2)平行雙探頭。雷達能量主要集中在兩探頭之間。測量能力、抗干擾、抗粘附能力介于同軸和單探頭之間,可應用于泡沫與輕度掛料場合,膜狀涂污僅會削弱信號,掛料在探頭間“搭橋”或在隔離器上堆積會導致測量異常,回波較強的橋接處會錯誤地評定為液位。另有三探頭,原理類似。
         
        3)單探頭。單探頭雷達能量主要分布在探頭周圍約300mm的圓周里,測量絕緣(低介電常數)物料敏感性不如前兩種結構的探頭;外界干擾敏感,應避免靠近干擾物體(容器內壁、內構間)安裝,對安裝接管的內徑與長度有要求,不滿足時將有多重回波反射,削弱測量信號,甚至測量失常;不易掛料,固體、黏度大和臟污的物料可選擇。

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