E+H雷達(dá)物位計(jì)干擾回波抑制曲線的應(yīng)用①

董合林

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司)

E+H雷達(dá)物位計(jì)干擾回波抑制曲線的應(yīng)用①

董合林

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司)

闡述雷達(dá)物位計(jì)的干擾應(yīng)對(duì)措施，介紹電子技術(shù)在屏蔽虛假回波中的應(yīng)用。詳述E+H雷達(dá)回波和干擾抑制曲線在分析解決測(cè)量故障、優(yōu)化回波質(zhì)量中的應(yīng)用。實(shí)踐證明該方法切實(shí)有效，可以有效提高測(cè)量質(zhì)量。

雷達(dá)物位計(jì) 虛假回波 回波質(zhì)量 電子干擾回波抑制 儲(chǔ)罐回波曲線

雷達(dá)(微波)物位計(jì)基于有源雷達(dá)的回波測(cè)距原理，可實(shí)現(xiàn)安全可靠的非接觸測(cè)量，不受物料密度變化影響，有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]，隨著技術(shù)的成熟，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用故障主要為選型與安裝不當(dāng)，選型不當(dāng)將無法正常使用，安裝不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾回波，影響測(cè)量質(zhì)量甚至導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。

1 雷達(dá)物位計(jì)干擾信號(hào)處理措施

安裝雷達(dá)物位計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免干擾，無法避免的，可用折射板將過強(qiáng)的虛假反射信號(hào)進(jìn)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(hào)濾出。

雷達(dá)波沿程可能會(huì)遇到干擾源、物位界面等對(duì)象，多路反射會(huì)被認(rèn)定為對(duì)象在較遠(yuǎn)位置。主流雷達(dá)回波處理都有獨(dú)到之處，通?？刹榭椿夭ㄇ€，回波曲線是對(duì)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(shí)回波和虛假回波，以及雜散噪聲信號(hào)的分布、寬度、強(qiáng)度及信噪比等有關(guān)測(cè)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(yù)先記錄空罐的回波，如KROHNE的空罐頻譜檢測(cè)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(cè)消除、多次回波抑制及設(shè)置靜態(tài)/動(dòng)態(tài)回波增幅置信閾值門限等方法，動(dòng)態(tài)干擾的處理更困難些。

簡(jiǎn)單的屏蔽干擾會(huì)遮蔽干擾點(diǎn)附近的所有回波信號(hào)，帶來測(cè)量盲區(qū)；設(shè)置增幅閾值，物位在穿越干擾區(qū)時(shí)，界面回波與干擾信號(hào)疊加，使回波的波峰位置(能量最強(qiáng)點(diǎn))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(cè)量偏低的問題；利用圓極化等技術(shù)，可以分離界面回波與干擾回波，實(shí)現(xiàn)無效干擾回波注冊(cè)，干擾回波注冊(cè)配合抑制會(huì)使液位跟蹤更可靠，可以很大程度上提高測(cè)量質(zhì)量[3]。

2 復(fù)雜環(huán)境安裝導(dǎo)致錯(cuò)誤測(cè)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(fù)雜，有隔板(隔板高度1.4m)，距罐壁200mm，隔板內(nèi)側(cè)有兩進(jìn)料管(內(nèi)徑分別為40、80mm)從罐頂延伸至距罐底150mm處，液位計(jì)預(yù)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(jìn)國外技術(shù)，外方原設(shè)計(jì)液位測(cè)量采用放射性液位計(jì)，考慮到安裝和維護(hù)成本，改用了穩(wěn)液井安裝的E+H脈沖雷達(dá)Micropilot M FMR240-45E2APJAC4D，兩線制、精度±3mm、圓錐天線尺寸100mm(圓錐外徑95mm，標(biāo)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(dá)回波質(zhì)量差，液位測(cè)量不準(zhǔn)確。判斷原因?yàn)榉€(wěn)液井加工不合格，且容易掛料。高頻雷達(dá)能量較為集中，穩(wěn)液井聚波效應(yīng)弱于低頻，且制作要求高。此臺(tái)雷達(dá)波束角8°，測(cè)量長(zhǎng)度3m時(shí)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(cè)量效果大為改善，但仍存在問題，現(xiàn)象是液位測(cè)不到零，低液位時(shí)采出泵流量與壓力已無法維持，機(jī)泵密封磨損，液位仍然指示在800mm左右，偶爾會(huì)跳變?yōu)榱?，HART375查看回波質(zhì)量為19dB，回波強(qiáng)，但通過現(xiàn)場(chǎng)操作顯示模塊VU331查看回波曲線異常。

3 E+H雷達(dá)物位計(jì)干擾回波抑制曲線的應(yīng)用

由于E+H Micropilot M FMR2XX雷達(dá)回波處理采用信號(hào)包絡(luò)估值方法，故回波曲線稱為包絡(luò)線，不同于西門子的虛假回波抑制包絡(luò)線[4](即TVT，抑制虛假回波和動(dòng)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(diǎn)與終點(diǎn)(以儀表測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)為參考零點(diǎn))。默認(rèn)回波最強(qiáng)點(diǎn)為物位，圖中的2.241m為所評(píng)定物位與參考點(diǎn)的距離，圖中標(biāo)記出了空標(biāo)(即零點(diǎn))、滿標(biāo)(即量程)和所評(píng)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(jì)應(yīng)用效果。脈沖雷達(dá)回波能量較低，需要?jiǎng)討B(tài)處理更大的強(qiáng)度差別的回波，回波一般用分貝數(shù)表征，導(dǎo)波雷達(dá)與連續(xù)調(diào)頻波雷達(dá)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(gè)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(píng)定。Micropilot M FMR2XX能手動(dòng)抑制比真實(shí)物位高(更接近頂部測(cè)量參考點(diǎn))的干擾回波，并要求抑制范圍最遠(yuǎn)至距真實(shí)物位0.5m處，否則抑制干擾的同時(shí)也將削弱物位信號(hào)。圖2中的虛假回波強(qiáng)度小于物位回波，即便不做抑制，物位也能正確評(píng)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(yīng)用

接收罐物料完全排空時(shí)，DCS監(jiān)控液位穩(wěn)定在830mm，偶爾跳到零，VU331現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)度稍弱于P2，于是距離雷達(dá)1.777m的P2被選定。接收罐空標(biāo)設(shè)定為2.685m，滿標(biāo)設(shè)定為2.400m，由于表內(nèi)部設(shè)置了偏移量，所以液位示值與距離之和不等于空標(biāo)。(注解：E+H Micropilot M FMR2XX現(xiàn)場(chǎng)操作顯示模塊VU331繪制顯示的回波曲線沒有對(duì)橫、縱坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，但專用PC機(jī)調(diào)試軟件“ToF Tool”顯示的曲線更為精細(xì)，明確地把縱坐標(biāo)標(biāo)注為-120～0dB、橫坐標(biāo)標(biāo)注為從零到略遠(yuǎn)于空標(biāo)的距離，筆者沒有此軟件以及相應(yīng)的通信接口硬件)。

圖3 接收罐排空時(shí)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(xiàng)有：“distance=ok/dist.too small/manual”，當(dāng)沒有干擾或者干擾回波弱于物位回波時(shí)，回波曲線與圖1或圖2類似，可以選擇“distance=ok”，此時(shí)測(cè)量值不改變，但回波質(zhì)量提升。

接收罐抑制時(shí)首先選擇了“dist.too small”，抑制范圍終止在距空標(biāo)0.5m(即距離測(cè)量參考點(diǎn)dist.=2.185m)處，液位仍然測(cè)不到零，于是選擇了“manual”，最終，輸入抑制間距2.6m后，液位方測(cè)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(shì)正確，對(duì)照外貼高低超聲波液位開關(guān)，液位測(cè)量值為220mm和1 100mm時(shí)開關(guān)動(dòng)作，與液位開關(guān)的安裝高度相符，做抑制曲線很大程度上改善了測(cè)量。抑制距離接近于空標(biāo)，但仍然能夠正確測(cè)量的原因是液面反射率較高。同時(shí)，液位出現(xiàn)了最高只能測(cè)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(dá)的增幅閾值并不恒定。

除了預(yù)設(shè)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(dòng)均線，即對(duì)回波幅值取平均的一條曲線，隨容器內(nèi)反射特性(包絡(luò)線)的變化而改變，可隨容器內(nèi)的動(dòng)態(tài)干擾(如掛料和湍動(dòng)的液面)自整定其波形，用以抑制小的動(dòng)態(tài)干擾，曲線以下的信號(hào)被忽略，越過線的最強(qiáng)回波將被評(píng)定，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)其作用不明顯。

4 結(jié)束語

雷達(dá)物位計(jì)的可靠應(yīng)用有賴于正確的選型與安裝，安裝環(huán)境不理想時(shí)，虛假電子回波抑制可以屏蔽干擾信號(hào)，大幅提高測(cè)量質(zhì)量，給工藝提供可靠參考。

[1] 董合林,王飛,楊暉.雷達(dá)物位計(jì)的應(yīng)用及故障處理[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(4):50～56.

[2] 李聚剛,趙輝.微波物位計(jì)測(cè)量干擾因素的研究[J].自動(dòng)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(dá)液位計(jì)在復(fù)雜工況中的測(cè)量試驗(yàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2005,32(4):80～81.

[5] 張偉,袁夢(mèng)琦.雷達(dá)——?jiǎng)?chuàng)新性的物位測(cè)量技術(shù)方案[J].世界儀表與自動(dòng)化,2008,(1):30～33.

TH707

B

1000-3932(2017)08-0802-03

2016-12-28，

2017-04-26)

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