導(dǎo)波雷達(dá)液位計( Guided Wave Radar,GWR)由于具有先進(jìn)的雷達(dá)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。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,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。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(yīng)用范圍。
1.導(dǎo)波雷達(dá)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(dá)液位計。雷達(dá)液位計的電磁脈沖波以光速沿著波導(dǎo)體(探頭)向下傳送,當(dāng)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,用走召高速計時電路(電子表頭)準(zhǔn)確地測量出脈沖波的傳導(dǎo)時間,而發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同傳導(dǎo)時間成正比,經(jīng)計算就可得到液位高度。
脈沖發(fā)射裝置發(fā)射的電磁波信號到達(dá)介質(zhì)表面并返回時,信號會衰減。此時,信號強(qiáng)度與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比,介電常數(shù)越大,反射信號越強(qiáng);反之,反射信號越弱。目前, Magnetrol公司的GWR可用于測量ZUI低介電常數(shù)為1.4的介質(zhì)液位。另外,高導(dǎo)電性介質(zhì)(如水)產(chǎn)生較強(qiáng)的反射脈沖;而低導(dǎo)電性介質(zhì)(如烴類)產(chǎn)生較弱的反射脈沖,低導(dǎo)電性介質(zhì)使得某些電磁波能沿探頭(波導(dǎo)體)穿過液面向下傳播,直至完全消散或被一種較高導(dǎo)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(yīng)遠(yuǎn)大于界面上液體的介電常數(shù)。
2.導(dǎo)波雷達(dá)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(dá)400℃,其壓力可高達(dá)34.45Pa(5000psig)。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。
3.GWR探頭與旁路管
3.1探頭
在實際應(yīng)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67,如圖2所示。
同軸式探頭是所有探頭配置中ZUI有效的,且在所有應(yīng)用場合中應(yīng)首先考慮使用,但是該種探頭的長度應(yīng)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(hù)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(yīng)確保探頭能插入到ZUI低液面下的一定距離。 Magnetrol公司的GWR在測量ZUI低液位時,要求選擇的探頭長度應(yīng)確保探頭能插入到液面下25~150mm。
3.2GWR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(yīng)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(yīng)遵照項目的管道設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。對于腐蝕性較高的介質(zhì)還應(yīng)考慮一定的腐蝕余量,如應(yīng)符合美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)的標(biāo)準(zhǔn)等。旁路管與設(shè)備連接時,其法蘭連接管口應(yīng)完全垂直于旁路管,其中心線與設(shè)備管口的中心線應(yīng)在同一水平面上,必要時可使用夾具裝置(Jig Set)校正。
應(yīng)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(yīng)在測量范圍的中心位置使用機(jī)械支撐,對旁路管起到支撐作用。旁路管的制作應(yīng)根據(jù)項目的要求確定,圖4所示為某項目所用的機(jī)械支撐。
4.GWR在液位測量中的應(yīng)用
4.1GWR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(yīng)注意:
(1)探頭的軸線應(yīng)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(yīng)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(yīng)避免安裝在有很強(qiáng)渦流的地方。如由于攪拌或很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)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1GWR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400~1850mm,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(dāng)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。
選擇探頭長度時,包括了測量范圍1450mm,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=1450+150+200+178=1978(mm)。
案例2GWR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?xì)浠衔?介電常數(shù)為2,測量范圍400~1450mm;下方為碳?xì)浠衔锱c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。
5.結(jié)語
導(dǎo)波雷達(dá)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(biāo)定,測量結(jié)果具有高精度、可重復(fù)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(hù)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(jìn)一步降低、性價比的提高,導(dǎo)波雷達(dá)液位計的應(yīng)用將會越來越廣泛。
