如何選擇適合的高頻雷達(dá)液位計(jì)?


隨著當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化程度的發(fā)展，工藝過(guò)程中對(duì)各種物料液位測(cè)量的要求越來(lái)越高，目前市場(chǎng)上遠(yuǎn)傳式液位計(jì)主要包括差壓液位變送器、雷達(dá)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、伺服液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)和放射性液位計(jì)等，這些液位計(jì)普遍應(yīng)用于比較簡(jiǎn)單的工況。然而隨著對(duì)化工行業(yè)測(cè)量要求的提高及越來(lái)越多樣化，在一些較為特殊的工況中，絕大多數(shù)液位計(jì)由于受到自身?xiàng)l件的限制，在對(duì)液位的測(cè)量中，不但在測(cè)量精度上，甚至在測(cè)量穩(wěn)定性上往往都不盡如人意。

目前，隨著技術(shù)的不斷成熟，雷達(dá)液位計(jì)在各種行業(yè)中的使用也越來(lái)越普及，其操作簡(jiǎn)單、安裝方便，適用范圍廣，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)受到了不少用戶(hù)的青睞。但是，傳統(tǒng)的雷達(dá)液位位計(jì)在使用中會(huì)受到一些條件的限制，所以在一些特殊工況中測(cè)量效果一直不太理想，給不少工程設(shè)計(jì)人員和用戶(hù)造成了使用不穩(wěn)定的印象。而高頻雷達(dá)液位計(jì)解決了普通雷達(dá)液位計(jì)在一些特殊工況中碰到的問(wèn)題。

1 高頻雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)越性
目前市場(chǎng)上常用的雷達(dá)液位計(jì)的發(fā)射頻率為 24～26GHz，在一般的廠(chǎng)家介紹中也有把它稱(chēng)之為高頻雷達(dá)液位計(jì)，而本文所要闡述的高頻雷達(dá)液位計(jì)的特指在發(fā)射頻率在 80GHz 或80G 以上的連續(xù)調(diào)頻波，其頻率是普通高頻雷達(dá)液位計(jì)的 3倍。

1.1 高頻雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)
1.1.1 聚焦能力強(qiáng)
雷達(dá)液位計(jì)的發(fā)射角大小反映了其聚焦能力的強(qiáng)弱，發(fā)射角的大小根天線(xiàn)有效截面積和頻率有關(guān)，其公式如下：發(fā)射角α= 光速/（天線(xiàn)有效截面積*頻率）從上式中可以看出，發(fā)射角α與雷達(dá)天線(xiàn)截面積和發(fā)射頻率成反比，在天線(xiàn)截面積不變的情況下，發(fā)射頻率越高，其發(fā)射角就越小。發(fā)射角越小，其聚焦能力就越強(qiáng)，從而雷達(dá)回波就越強(qiáng)，信號(hào)也就越穩(wěn)定。

1.1.2 動(dòng)態(tài)范圍廣
雷達(dá)液位計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍是指液位計(jì)所能檢測(cè)到的回波的最強(qiáng)信號(hào)與最弱信號(hào)之間的差值。發(fā)射頻率為 24～26GHz的雷達(dá)波，其動(dòng)態(tài)范圍一般在 96dB 之內(nèi)，而 80GHz 的雷達(dá)波，其動(dòng)態(tài)范圍最大可以達(dá)到 120dB。動(dòng)態(tài)范圍越大，說(shuō)明其檢測(cè)微弱信號(hào)的能力就越大，其適用性就越廣。特別是在測(cè)量低介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí)，傳統(tǒng)的雷達(dá)液位計(jì)一般只能測(cè)量介電常數(shù)ε＞3.0 的介質(zhì)，而高頻雷達(dá)液位計(jì)最小可以測(cè)到ε=1.1，包含了絕大部分介質(zhì)。

1.2 高頻雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)越性
（1）普通雷達(dá)液位計(jì)其工作條件要求介質(zhì)的介電常數(shù)不能太低，帶有攪拌或旋流情況應(yīng)配導(dǎo)波管或采用導(dǎo)波雷達(dá)，而高頻雷達(dá)液位計(jì)則基本上不受限制。
（2）高頻雷達(dá)液位計(jì)其頻率一般在 80～135GHz、測(cè)量范圍廣（達(dá) 100 米以上），不受氣相環(huán)境的影響。
（3）高頻雷達(dá)的發(fā)射角非常小，聚焦性能非常好，因此即使在是安息角非常大的料堆上，也可以獲得優(yōu)質(zhì)的信號(hào)反射，使得能夠精確測(cè)量。
（4）可采用內(nèi)置透鏡天線(xiàn)，無(wú)喇叭口設(shè)計(jì)。平面天線(xiàn)具有應(yīng)用廣泛、小安裝接口等優(yōu)點(diǎn)。

2 高頻雷達(dá)液位計(jì)在特殊工況中的應(yīng)用
2.1 帶攪拌器的反應(yīng)釜
在精細(xì)化工中要求對(duì)帶攪拌器的反應(yīng)釜進(jìn)行液位監(jiān)控是非常常見(jiàn)的，反應(yīng)釜內(nèi)的物料多半為粘稠的漿料，并且在反應(yīng)過(guò)程中需要攪拌并進(jìn)行加熱和降溫。在這種工況下，由于攪拌的影響，液位對(duì)罐壁產(chǎn)生的壓力不能正確反應(yīng)液位高度，且進(jìn)料過(guò)程中幾種物料混合后的密度在不斷發(fā)生變化，所以不能使用差壓液位變送器進(jìn)行液位測(cè)量。又由于有多重葉輪的攪拌，加上物料比較粘稠，所以伺服、磁致伸縮等接觸式液位計(jì)也不適合進(jìn)行測(cè)量。

中石化上海催化劑分公司丙烯腈裝置項(xiàng)目中要求對(duì)催化劑原料反應(yīng)釜進(jìn)行液位測(cè)量，該反應(yīng)釜高度為 2.5m，直徑為 1.8m，攪拌器帶有三層攪拌葉，一般雷達(dá)液位計(jì)很難將這類(lèi)多層的葉輪所反射的雷達(dá)波作為干擾信號(hào)進(jìn)行濾波。后試用了某公司推薦的一臺(tái)高頻雷達(dá)液位計(jì)后，液位測(cè)量非常穩(wěn)定。

該款雷達(dá)液位計(jì)的發(fā)射頻率為 80GHz，天線(xiàn)尺寸為80mm，雷達(dá)波的發(fā)射角僅為 3°。該反應(yīng)釜原來(lái)用頻率為 26GHz 的常規(guī)的雷達(dá)儀表，其雷達(dá)波的發(fā)射角為 10°，由于雷達(dá)信號(hào)聚焦不好，信號(hào)會(huì)打在攪拌葉上，產(chǎn)生很多的虛假信號(hào)，導(dǎo)致液位低于 1m 后因?yàn)樘摷傩盘?hào)的干擾而無(wú)法正常測(cè)量。后采用高頻雷達(dá)液位計(jì)，由于其 80GHz 的發(fā)射頻率，發(fā)射角非常小，聚焦效果非常好，因此雷達(dá)信號(hào)可以很好地避開(kāi)攪拌葉，液位能一直精確地測(cè)到罐底。

下圖為不同頻率下的雷達(dá)回波曲線(xiàn)，可以看出，80GHz的雷達(dá)在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，除了液位信號(hào)，沒(méi)有任何虛假信號(hào)產(chǎn)生。

2.2 含有大量泡沫液的酸堿廢水池
上海石化熱電部廢水處理項(xiàng)目中要求對(duì)廢酸池進(jìn)行液位測(cè)量，該廢酸池含有很濃的泡沫，高度達(dá) 50cm 以上。由于廢酸池內(nèi)的腐蝕性很強(qiáng)，不宜采用接觸式頂裝液位計(jì)，而一般的雷達(dá)液位計(jì)，其雷達(dá)波信號(hào)又很難穿透泡沫測(cè)到液面。在實(shí)際施工中業(yè)主選用了一款高頻雷達(dá)液位計(jì)，由于其高聚焦和高動(dòng)態(tài)范圍，雷達(dá)信號(hào)能很輕松地穿透泡沫，所以在實(shí)際應(yīng)用中，廢水的液位測(cè)量一直非常穩(wěn)定。下圖為泡沫厚度為 0.5m 的工況中不同頻率下的雷達(dá)回波曲線(xiàn)，可以看出，80GHz 的雷達(dá)的回波信號(hào)要大大強(qiáng)高于普通雷達(dá)液位計(jì)的回波信號(hào)，因而測(cè)量非常穩(wěn)定。

2.2 高溫油罐
上海石化儲(chǔ)運(yùn)部二車(chē)間有幾臺(tái)容積為 10000m3的瀝青拱頂罐，原液位測(cè)量選用了普通雷達(dá)液位計(jì)。由于該儲(chǔ)罐內(nèi)部帶有蒸汽盤(pán)管加熱，罐內(nèi)溫度達(dá)到 150℃，油氣揮發(fā)十分嚴(yán)重。對(duì)于普通雷達(dá)液位計(jì)，其天線(xiàn)很容易粘附上瀝青蒸汽，一旦形成結(jié)晶，對(duì)雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射和接收阻礙很大。同時(shí)常規(guī)雷達(dá)液位計(jì)聚焦差，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍小，一旦信號(hào)傳播受阻，液位信號(hào)會(huì)變得非常弱，導(dǎo)致測(cè)量非常不穩(wěn)定。由于結(jié)晶的影響，天線(xiàn)每個(gè)星期還必須必須清理一次，給儀表維護(hù)帶來(lái)很大的麻煩。

業(yè)主曾經(jīng)改用 Saab 的拋物面天線(xiàn)雷達(dá)液位計(jì) RTG3930，取得一定的效果，但是由于 RTG3930 的拋物面天線(xiàn)的直徑達(dá)到 440mm，在改造項(xiàng)目中設(shè)備開(kāi)孔不方便，并且價(jià)格較高。后來(lái)試用了一款高頻雷達(dá)液位計(jì)，該款雷達(dá)采用半球形 PEEK塑封透鏡天線(xiàn)，使得天線(xiàn)與介質(zhì)接觸的表面積增大，即使形成很?chē)?yán)重的結(jié)晶，也難以把整個(gè)天線(xiàn)覆蓋。同時(shí)，由于高聚焦性，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到 120dB，因此其雷達(dá)信號(hào)非常強(qiáng)，即使結(jié)晶會(huì)阻擋大部分雷達(dá)信號(hào)，仍有很強(qiáng)的雷達(dá)信號(hào)會(huì)穿透結(jié)晶，測(cè)到液位。因此，對(duì)于高頻雷達(dá)液位計(jì)來(lái)說(shuō)，結(jié)晶和粘附對(duì)測(cè)量不再發(fā)生影響，天線(xiàn)也無(wú)需定期清理，真正實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。此外，儀表在近距離對(duì)信號(hào)作了衰減處理，天線(xiàn)上的粘附很難形成虛假信號(hào)，因此虛假信號(hào)處理也不再需要，使得調(diào)試變得極其簡(jiǎn)易。下圖為在高溫瀝青罐上不同頻率下的雷達(dá)回波曲線(xiàn)，可以看出，常規(guī)雷達(dá)的回波曲線(xiàn)受粘附物的干擾非常大，而 80GHz 的雷達(dá)的回波信號(hào)非常清晰，基本不受瀝青粘附的影響。

2.3 小型容器
在很多制藥和化工行業(yè)，需要對(duì)很多小型容器進(jìn)行液位測(cè)量，有的容器高度僅為 200-300mm，采用差壓等方式根本無(wú)法測(cè)量。而普通的雷達(dá)雷達(dá)液位計(jì)由于天線(xiàn)本身的結(jié)構(gòu)，本身帶有 50mm 以上的盲區(qū)，在近天線(xiàn)處會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲信號(hào)，因此近距離液位信號(hào)很容易被噪聲線(xiàn)所淹沒(méi)而無(wú)法測(cè)量。

高頻雷達(dá)液位計(jì)由于發(fā)射頻率是普通雷達(dá)液位計(jì)的 3 倍，在發(fā)射角不變的情況下，其天線(xiàn)面積可以縮小到 1/3，所以高頻雷達(dá)液位計(jì)的天線(xiàn)外螺紋尺寸可以做到 3/4”，因此可以在很小的容器上安裝。而且天線(xiàn)可以做到齊平塑封安裝，使得由天線(xiàn)產(chǎn)生的近距離噪音線(xiàn)達(dá)到最低，同時(shí)近距離的液位信號(hào)也變得更窄更強(qiáng)，即使液位接近天線(xiàn)也能被精確測(cè)出，最高液位可以測(cè)量到天線(xiàn)螺紋根部。

2.4 在帶壓球罐上安裝
在一些帶壓的球罐上液位儀表的安裝一般都帶有根部閥，以便于儀表維修，如私服液位計(jì)等。一般根部閥多為法蘭連接的全通徑球閥，閥體內(nèi)部有空隙，雷達(dá)波通過(guò)向下發(fā)射時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多虛假信號(hào)，所以常規(guī)雷達(dá)液位計(jì)一般都不安裝在球罐上。而高頻雷達(dá)液位計(jì)由于發(fā)射角極小，抗干擾能力強(qiáng)，在穿越諸如球閥等設(shè)備內(nèi)部時(shí)一般不受任何影響，使雷達(dá)液位計(jì)可以直接安裝在球罐本體進(jìn)行液位測(cè)量。

3 應(yīng)用領(lǐng)域
目前雷達(dá)液位計(jì)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這主要得益于雷達(dá)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，相比于十年前，雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性有了很大的提高。目前國(guó)際上一些知名的雷達(dá)液位計(jì)廠(chǎng)家都陸續(xù)推出了雷達(dá)發(fā)射波在 80GHz 左右甚至更高頻率的液位計(jì)。可以預(yù)計(jì)，在不久的將來(lái)，高頻雷達(dá)液位計(jì)以其優(yōu)越的性能將會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。