導波雷達液位計在液位測量中的應用

呂琴梅

（柏克德（中國）工程有限公司，上海 200050）

導波雷達液位計在液位測量中的應用

呂琴梅

（柏克德（中國）工程有限公司，上海 200050）

導波雷達液位計在液位測量中發(fā)揮著越來越重要的作用。介紹導波雷達液位計的測量原理及組成，探討了常見的探頭類型、儀表安裝方式和注意事項，分析了GWR在工業(yè)設(shè)備液位和界面測量中的應用。

導波雷達液位計；液位；界面；測量

物料液位是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要參數(shù)，測量液位的方法有很多［1］，針對不同的工況和介質(zhì)可以使用不同測量原理的液位計［2］。吹氣法、差壓式、浮球式、電容法、超聲波等常用的液位測量儀表都有各自的特點和應用范圍。導波雷達液位計（Guided Wave Radar，GWR）由于具有先進的雷達測量技術(shù)，測量時不受介質(zhì)、溫度、惰性氣體、蒸汽、粉塵及泡沫等影響，測量長度可靈活變更，測量結(jié)果精度較高，故在液位測量中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 導波雷達液位計的測量原理

GWR是依據(jù)時域反射原理為基礎(chǔ)的雷達液位計。雷達液位計的電磁脈沖波以光速沿著波導體（探頭）向下傳送，當遇到被測介質(zhì)表面時，部分脈沖被反射形成回波并沿相反路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，用超高速計時電路（電子表頭）精確地測量出脈沖波的傳導時間，而發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同傳導時間成正比，經(jīng)計算就可得到液位高度［3－4］。

脈沖發(fā)射裝置發(fā)射的電磁波信號到達介質(zhì)表面并返回時，信號會衰減。此時，信號強度與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比［5］，介電常數(shù)越大，反射信號越強；反之，反射信號越弱。目前，Magnetrol公司的GWR可用于測量最低介電常數(shù)為1.4的介質(zhì)液位。另外，高導電性介質(zhì)（如水）產(chǎn)生較強的反射脈沖；而低導電性介質(zhì)（如烴類）產(chǎn)生較弱的反射脈沖，低導電性介質(zhì)使得某些電磁波能沿探頭（波導體）穿過液面向下傳播，直至完全消散或被一種較高導電性的介質(zhì)反射回來。根據(jù)這一特點，可采用GWR測量兩種液體的界面（如油／水界面），條件是界面下的液體介電常數(shù)應遠大于界面上液體的介電常數(shù)。

2 導波雷達液位計的組成

GWR主要包括液位計電子表頭、過程連接和探頭3個部分，如圖1所示。其中，過程連接包括法蘭連接及螺紋連接2種，圖1所示為法蘭連接。GWR適用于測量絕大部分過程容器和儲罐、連接容器和旁路容器的液位，測量的溫度和壓力限制在探頭的額定溫度和壓力范圍內(nèi)。Magnetrol公司的GWR適用的介質(zhì)溫度可達400℃，其壓力可高達34.45Pa（5 000psig）。另外，如果工藝過程溫度過高，還可將GWR裝在容器的旁路管中，這樣能起到一定的降溫作用。

圖1 導波雷達液位計組成與基本部件Fig.1 Basic composition of GWR

3 GWR探頭與旁路管

3.1 探 頭

在實際應用中，GWR探頭的選擇十分重要。探頭主要有同軸式、雙桿式（硬纜或軟纜）和單桿式（硬纜或軟纜）3種［6－7］，如圖2所示。

圖2 探頭類型Fig.2 Probe types

同軸式探頭是所有探頭配置中最有效的，且在所有應用場合中應首先考慮使用，但是該種探頭的長度應控制在5m內(nèi)，否則不便于運輸和安裝（一般情況下，若測量范圍超過3m，則建議使用軟纜式的探頭）。若流體有較大的波動，建議使用同軸式探頭和硬桿式探頭，因為它們具有一定的抗震性；若波動或測量范圍太大則必須用軟纜式探頭，以便在探頭外另加保護套管。值得注意的是，為保證信號傳輸過程中不受障礙物的干擾，除同軸式探頭外，其他類型的探頭都有一定的空間要求。

由于探頭有一定死區(qū)，死區(qū)的大小與測量介質(zhì)的介電常數(shù)成反比。如果測量介質(zhì)的介電常數(shù)越大，測量時的死區(qū)越小；反之，死區(qū)越大。對于不同廠家的產(chǎn)品，死區(qū)的大小都有差別，Magnetrol公司探頭的死區(qū)范圍為25～150mm。在確定探頭長度時需要將死區(qū)的大小考慮在內(nèi)，應確保探頭能插入到最低液面下的一定距離。Magnetrol公司的GWR在測量最低液位時，要求選擇的探頭長度應確保探頭能插入到液面下25～150mm。

3.2 GWR旁路管

在測量液位時，GWR可以直接插入設(shè)備中，或裝在旁路管里。旁路管由管道部門或GWR供貨商提供。旁路管與探頭的連接方式應根據(jù)所用探頭的連接方式而定，可以是法蘭連接，也可以是螺紋連接。如圖3所示為GWR旁路管。

旁路管應遵照項目的管道設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計。對于腐蝕性較高的介質(zhì)還應考慮一定的腐蝕余量，如應符合美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）的標準等。旁路管與設(shè)備連接時，其法蘭連接管口應完全垂直于旁路管，其中心線與設(shè)備管口的中心線應在同一水平面上，必要時可使用夾具裝置（Jig Set）校正。

圖3 GWR旁路管Fig.3 GWR chamber

應根據(jù)探頭的長度來確定旁路管的長度，如果旁路管過長，還應在測量范圍的中心位置使用機械支撐，對旁路管起到支撐作用。旁路管的制作應根據(jù)項目的要求確定，圖4所示為某項目所用的機械支撐。

圖4 旁路管的機械支撐Fig.4 Mechanical support of GWR chamber

4 GWR在液位測量中的應用

4.1 GWR的合理安裝

合理選擇安裝位置對GWR十分重要，將影響到測量的效果，故在安裝時應注意：

（1）探頭的軸線應與液位的反射表面垂直。

（2）必須保證在信號波的范圍內(nèi)不能有干擾物反射干擾波，探頭應與可能產(chǎn)生干擾的加料入口位置、罐壁或旁路管等保持一定的距離，以免產(chǎn)生虛假反射。

（3）應避免安裝在有很強渦流的地方。如由于攪拌或很強的化學反應等產(chǎn)生的渦流，此時可采用旁路管測量，以減少因液位波動造成的影響。

4.2 案例分析

案例1 GWR直接插入設(shè)備中，內(nèi)有有毒氣體或揮發(fā)性氣體。設(shè)備的設(shè)計壓力為3.52kg／cm2，設(shè)計溫度是260℃。設(shè)備管口直徑為5.08cm（2英寸），長200mm，工藝測量范圍為400～1 850mm，選擇法蘭連接方式。為防止氣體泄漏，在設(shè)備管口與GWR之間加裝有一個手動的全通球閥（隔離閥），如圖5所示。正常工作時，球閥全開，當探頭需要被拔除時，可關(guān)閉此閥，起到隔離設(shè)備內(nèi)毒氣的作用?？紤]到設(shè)備中有一個泵往外抽取介質(zhì)，設(shè)備會有一定的震動，且硬桿式探頭對管口大小有一定的要求，故選用了同軸式探頭。

圖5 案例1示意圖Fig.5 Case 1

選擇探頭長度時，包括了測量范圍1 450mm，探頭死區(qū)150mm，設(shè)備管口的長度200mm和隔離閥的端面尺寸178mm，故探頭的長度＝1 450＋150＋200＋178＝1 978（mm）。

案例2 GWR安裝在旁路管中，用于測量設(shè)備中液位和界面。被測設(shè)備的上方為碳氫化合物，介電常數(shù)為2，測量范圍400～1 450mm；下方為碳氫化合物與酸水的混合物，酸水的介電常數(shù)為34.5，界面的測量范圍300～600mm。旁路管的尺寸選擇5.08cm（2英寸），探頭類型同樣選擇同軸式的。如圖6所示。

圖6 案例2示意圖Fig.6 Case 2

5 結(jié) 語

導波雷達液位計測量不受設(shè)備形狀的影響，也不受介電常數(shù)、溫度、壓力與密度等條件變化的影響，測量長度無須標定，測量結(jié)果具有高精度、可重復性、高分辯率，有多種探頭類型和材質(zhì)可供選擇，數(shù)字化顯示可供選擇，且維護量少，可很好地用于石油化工設(shè)備中烴類及其他介質(zhì)液位的測量。隨著其價格的進一步降低、性價比的提高，GWR的應用將會越來越廣泛。

［1］ 崔小勁，劉會兵，劉 玲.電廠用物位計的種類及其運用［J］.自動化與儀器儀表，2010（6）：76－78.

［2］ 任喜偉，楊 帆，宋安玲.基于ZGL雙液位測量儀的原油罐油水界面監(jiān)測系統(tǒng)［J］.化工自動化及儀表，2010，37（12）：126－128.

［3］ 劉偉佳.導波雷達液位計信號處理模塊設(shè)計［D］.成都：電子科技大學，2010.

［4］ 姬曉波，涂亞慶，任開春，等.雷達液位儀測量原理的分析及應用探討［J］.石油化工自動化，2005（1）：68－70.

［5］ 鄭金吾，王子平，朱利民.導波雷達——液位測量技術(shù)的新發(fā)展［J］石油化工自動化，2001（1）：52－56.

［6］ 蘇 菲.新型雷達液位計的比較與設(shè)計考慮［J］.醫(yī)藥工程設(shè)計，2008，29（2）：44－46.

［7］ 邵 文.導波雷達液位計在方家山核電站的應用［J］.儀器儀表用戶，2011，18（3）：96－98.

Guided Wave Radar and Its Application to Level Measurement

LüQinmei
（Bechtel（China）Engineering ＆Construction Co.，Ltd.，Shanghai 200050，China）

Guided wave radar（GWR）is increasingly important in level measurement.This paper introduces the measuring principle and basic composition of GWR，and presents several common types of probes，instrumentation installation and precautions.Two cases and applications in industrial equipment level and interface measurement of GWR are studied.

guided wave radar；level；interface；measurement

TH 816.2

A

2095－0020（2011）05－0347－04

2011－10－07

呂雪梅（1982－），女，工程師，專業(yè)方向為儀表工程，E－mail：mable.lv＠163.com