雷达液位计

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AP1000项目现场采用脉冲雷达物位计产生的问题分析及解决方案

作者:朱建坡, 蒋义权,朱华东, 侯宇驰 来源:国核工程有限公司 发布时间:2017-09-19 10:41:24

 摘要: 雷达液位计是一种利用雷达波测量物位的仪表,按照测量原理,现在广泛使用的雷达物位计有以下3种类型:脉冲雷达物位计,调频连续波雷达物位计和导波雷达物位计。根据现场不同工况,液位计的错误选型影响仪表测量的可靠性。介绍AP1000项目现场采用脉冲雷达物位计产生的问题,进行问题分析,提出解决方案。

 
0前言
         雷达信号是一种特殊形式的雷达波,其物理特性与可见光类似,传播速度相当于光速。与超声波雷达液位计相比,其不受传播介质的影响,可以在缺少介质 (真空) 或者具体气化介质的条件下传播,介质的温度变化也不影响雷达波的传播速度 [1] 。与超声波相比具有很多优势,被广泛应用到工业,工程中物位测量中。AP1000项目中使用雷达液位计用于测量罐体内液位,换料水池液位等应用,其中脉冲雷达液位计使用较多,但是在一些特殊工况下,脉冲雷达液位计无法正常工作,比如一些较小容器,罐体内测量工况比较复杂,干扰较大,这种情况下导波雷达液位计将比脉冲雷达液位计可靠性更高。本文以一个案例作基础,介绍脉冲雷达和导波雷达的优缺点,以及实际应用中如何选型。
 
1、脉冲雷达和导波雷达的测量原理
         脉冲雷达采用高频,窄脉冲对微波源信号进行调制,以波束的形式发射固定频率的脉冲波,脉冲波到达液位后再反射回接收器。从发射到接收信号的运行时间与容器中的液位成正比。通过计算脉冲波从发出到接收的时间,来确定物位的高度。测量原理如图1所示。
 
         导波雷达与脉冲雷达原理类似,也是采用发射-反射-接收的工作方式 ,不同的是雷达波不是在空气中传播,而是通过金属杆或柔性金属缆绳进行传播,导波雷达液位计的基础是利用雷达波的时域反射(TDR)原理 ,TDR发生器可以每秒 产生20万个能量脉冲,当脉冲遇到波导体与液面接触时,由于波导体在气体中和在液体中导电性能不同,介电常数发生突变,使波导体的阻抗发生变化,从而产生一个液位反射原始脉冲,同时在导体顶部具有一个预先设定好的阻抗,该阻抗产生一个可靠的基本脉冲,当原始脉冲与基本脉冲进行比较,存在时间差,可以计算出介质液位高度。测量原理如图2所示。
脉冲雷达液位计和导波雷达液位计的工作示意图
         反射回来原始脉冲,经过信号处理,可以得到法兰连接到被测介质表面的距离D,D与脉冲在导波杆上的传播时间T成正比如图3所示。
雷达液位计工作原理图
脉冲/导波雷达液位计对比
2、脉冲雷达液位计和导波雷达液位计比较
 
         通过表1,不难发现脉冲雷达液位计与导波雷达液位计相比,存在一些缺陷。脉冲雷达为非接触测量,当测量范围内有障碍物时容易产生虚假回波,脉冲雷达在安装法兰近端由于发射和接收回波的互相干扰,会有一定的盲区,并且影响精度;当液面有较大波动和较厚泡沫时,会造成雷达波被散射和吸收,造成测量受影响;当容器中存在搅拌器,或者管道等障碍物时,障碍物将反射雷达波,从而产生虚假液位信号,导致液位计测量受影响。在这些工况下,导波雷达液位计依据自身的特点,由于信号通过导波体传播,安装法兰近端盲区很小,精度更高,戒指测量可以不受液面波动、泡沫的影响,如果罐体内有障碍物,可以采用同轴套管式导波雷达测量,雷达波在同轴套管内传播,因此不受任何套管外障碍物的影响,因而仪表所接收的信号较强,返回信号的干扰信号也很弱,基本不受介质密度变化,介电常数变化 ,雾气和泡沫等因素的影响,可以很好的弥补脉冲雷达液位计存在的缺陷。综上所述,脉冲雷达适合较大储罐,长量程,安装条件理想的测量环境,导波雷达适合小量程、泡沫、凝露的测量环境。
 
3案例分析
3.1仪表异常表现
         在 AP1000 依托项目中 VYS 热水采暖系统,MT01稳压罐用来调节VYS系统热水膨胀力平衡.罐体上方安装有液位仪表VYS-JE-LT006,用来监测MT01罐体内部水位,根据水位高低来控制补水阀门开关,并发出报警。在进行VYS系统操作调试过程中,发现异常现象。当把除盐水向MT01罐自动充水时,液位显示会偶然出现跳变,有时液位突然显示为 0,有时显示液位高于实际量程。当手动关闭阀门,停止充水后,液位显示恢复正常。类似情况出现多次,只有调试人员断开电源,重新接通电源后,液位显示才能恢复正常。有时,还会出现在不充水情况下,液位显示上下震荡。当检查液位传感器时,发现传感器的喇叭口上出现凝结水。如图4所示,仪表液位输出信号的动态图,从图4可以看出,紫色线出现几次突然跳变现象,突然跳到满量程,从满量程突然变为0的异常现象。
脉冲雷达输出信号动态图
3.2原因分析
         (1) 在正常工况下,VYS热水采暖系统的介质水温大概为90°C左右,尽管罐体是一个隔热的罐体,但是在罐体顶部存在一个排气孔,高温水蒸气会在天线上冷凝,形成凝结水,这将影响传感器发射雷达波信号,变送器输出显示故障,液位变送器输出信号错误或者超出测量范围。
         (2) 由于进水口距离液位计天线较近,当充水时,水流正好处于雷达喇叭口的下方,雷达波刚好打在料流上,此时测量并输出水流的高度值,根本找不到真实液位的真实回波,所以一直处于满量程状态,如图5所示。
脉冲雷达液位计安装位置示意图
脉冲雷达信号回波图
         回波图型如图6所示。
 
         (3)进水管管径较大,管径为2”,水液位比较大,容易使液面溅起水花和漩涡,导致雷达波散射测量数值不准确。
 
3.3解决办法
         (1)改变液位计选型,使用同轴套管式导波雷达液位计,替换脉冲雷达液位计,如图7所示;
         (2) 更改进水管管径,使进水管管径由2”变为 1”。
 
         图8为脉冲雷达更改为导波雷达后,液位输出动态图,从图8可以看出,液位输出信号不再出现突然跳变的现象。
导波雷达液位计 安装示意图导波雷达信号 输出动态图
4总结
         在液位计的选型上,应充分考虑被测介质的具体情况,根据过程压力和温度选择合适的法兰,根据量程及介质的介电常数,决定天线尺寸,一般情况,量程越大,介电常数越低,天线尺寸就应该越大。当容器内工况复杂,容易产生虚假回波,或者容易产生冷凝水,介电常数和介质密度变化对液位测量产生影响,导波雷达会是非常合适的选择。

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