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雷达液位计构造及故障处理

供稿:中国工控网 2016/11/30 11:16:50

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  1. 关键词: 雷达液位计 雷达液位计故障
  2. 摘要:雷达液位计虽然是一种高精度的可以达到毫米级的液位检测仪表,没有可动部件使用寿命长等优点,但实际使用中会遇到各种各样的问题,这些故障问题不同于其他的液位测量仪表,偏离真实值只是一个很小的范围。雷达液位计出现问题就是灾难性的,不是最大就是最小,不是死数就是不变,因此雷达液位计在实际使用中的维修技能必须要熟练掌握,希望此文对于使用雷达液位计的人员有所帮助。
前言  雷达是利用电磁波传播过程中折射性和快速性而研发的一种空间测距电子仪器,最初用于国防及航空导航。随着科学技术的推广,雷达逐渐用于工业和民用领域,并衍生出众多型号产品,应用于工业生产中液位测量的雷达液位计就是其中的一类。雷达液位计测量原理  雷达液位计的测量原理和军工中的雷达一样,都是通过电磁波的直线传播特性测量周围空间的净空距离,即被测物体距离雷达的直线空间距离,具体到工业生产中就是液体的液面到雷达天线的空高。通过对雷达液位计组态可设定雷达天线到容器底部的垂直距离,根据已经测得的液面空高就可计算出液体的液位高度。现场使用的雷达液位计测量污水池的液位  测量原理公式为H=L-CT/2  C为电磁波的波速即光速, T为电磁波从发射到接收所用到的时间,L为雷达天线距离容器的最低端的垂直高度,H为被测液体的高度。  工业中的液位检测不同于军工航空动辄几十上百千米的空间测距,生产中的液位检测距离都较小,高范围的储罐液位检测也就一二十米的垂直高度,这样的距离空间相对于光速传播的电磁波来说可以忽略不计,于是上述的测量方式很难实现,因为人类无法制造出不用时间的电路处理仪表。  为使雷达测距应用于工业中的液位检测,生产厂商使用了高频的无线电波,使用线性调频连续测距的方法,让天线发射的电磁波的频率随着时间进行改变,接收器接收到的反射电磁波频率与此时的天线发射频率是不同的,通过计算两者的频率差,换算得出电磁波在空间传播的时间,从而能够计算出被测液位的高度。雷达液位计的构造  不同厂商所生产的雷达液位计形式各异,但总体的部件大体是一致的,其主要包括电路部分(雷达波发生器、信号检测、信号处理),天线及接收器和安装附件表体三大部分。根据天线的不同,雷达液位计可分为导波雷达和普通雷达两大类型。导波雷达液位计  导波雷达是在电磁波发射器的下方安装了一个金属导波体,让高频的无线电波沿着金属体垂直向下传播,当电磁波碰到被测物质的液面时,电磁波会在接触面反射,沿着波导体垂直的返回到雷达液位计天线内部的接收器中,然后处理电路进行分析计算,得出被测液体的液面高度。根据金属导波体的不同,导波雷达又分为缆式和杆式两大类。  缆式导波雷达的导波体为一个柔性的不锈钢金属绳,其末端栓一金属重物,以保证金属绳在被测液体中垂直的伸入到容器底部,防止金属绳在使用中漂浮摆动而弯曲。这样结构的雷达液位计主要用于底下罐、零位罐等地面以下的液位测量中。现场使用的导波雷达如图所示:  杆式导波雷达的波导体根据导波杆及天线的不同又分为很多种,有金属杆式的导波雷达,有通过金属管的喇叭天线式的导波雷达,有带有旁通测量筒的导波雷达。这些导波雷达主要用于高出地面的储罐液位测量或生产设备塔器储罐可以侧装旁通管的液位测量。普通雷达液位计  普通雷达液位计的天线,只是一个电磁波的发射接受装置,其电磁波发射后通过气相自由传播,由于雷达液位计电磁波为高频的微波信号发散传播性差,而且被测液体距离雷达液位计的高度小,其电磁波传播过程可看成垂直传播,因此这种雷达液位计满足液位测距要求。相对于导波雷达少了导波体节省费用方便安装,在储罐等较高液位测量中得到大量的应用。  根据天线的不同生产厂商制作了不同型号的雷达液位计,以适应不同工况环境。厂里使用的普通雷达液位计的天线有喇叭口、水滴形(防液体挥发凝结)、偏心型(防多重反射电磁波干扰)、宽口喇叭口(防气相介质衰减电磁波)四种类型。普通雷达液位计主要用在储罐液位检测中,现场安装及天线如图:  电路处理部分  根据雷达液位计处理电路的复杂程度,雷达液位计分为单路测量的普通模式和多重处理信号的总线模式。多重信号处理不仅能处理雷达电磁波测距的液位信号也可处理热电阻的温度测量信号,并可通过总线的方式把多台雷达液位计连接起来,通过一根总线远传到控制室内。适用于储罐众多布局分散的大中型储罐系统的液位测量,节约了传输线缆的铺设和费用。总线式雷达液位计如图所示:雷达液位计故障分析及处理  雷达液位计从测量原理上看是一种高精度的测距仪表,雷达液位计制造厂商也大肆介绍雷达液位计的优点,如可用于工艺过程中挥发性气体、高温、高压、蒸汽、真空及高粉尘等恶劣环境的要求,可对不同料位进行连续测量,但实际使用中雷达液位计常出现很多问题甚至失灵无法使用。雷达液位计电磁波选取依据  由雷达液位计的测量原理可见,雷达液位计测量过程中的核心是电磁波传播过程中频率波的改变范围,因此天线所接受的雷达波的频率,是液位测量的关键依据。  雷达液位计在使用中天线到被测液体的液面的空间净空中,充斥着各种频率的电磁波,这些电磁波大部分都会通过各种反射、折射传播到天线内部的接收器中,因此雷达液位计的接收器接收到的电磁波是一系列的大量的不同频率的电磁波。  怎样从这杂乱的电磁波中选出真实的液面反射来的电磁波,是雷达液位计能否准确测量液位的关键,这就需要一个选频电路。选频电路选择的依据是根据接受到的电磁波的能量来进行衡量。  电磁波在传播过程中受气相介质,被测介质的反射折射,金属容器壁等物质的碰撞吸收,能量会不断减弱,反射的次数越多能量损失越大,经过的距离越长能量损失越大。由于电磁波是垂直于被测液体的液面发射,其电磁波在被测液面的反射率最大(折射率最小),可近似为全反射,其在被测液体液面的能量损失,是所有电磁波回波损失最小的。垂直于被测液面的空间距离是所有电磁波传播中最短的距离,这个反射的电磁波在气相空间传播中能量损失也是最小的,由此两点被测液位反射回来的电磁波的能量是所有电磁波频谱中最大的,由此雷达液位计的选频电路得出被测液体的空高,从而计算得出被测液体的高度。雷达液位计使用中的问题  雷达液位计电磁波选频可以知道,返回接收器的电磁波的能量大小是雷达液位计选用电磁波频率的依据,从而决定着雷达液位计测量的准确性。如果正常使用中,被测液体所反射的电磁波的能量不是最高的电磁波,那么雷达液位计就会选用其他的不真实的电磁波频谱,此时就会造成被测液位失真。造成这种现象的原因,大体可以归为以下几点:一、被测液体与雷达天线之间的净空中有较大面积的反射物,致使电磁波在到达液面之前被反射。造成这种现象的原因主要为:1、被测容器内部有搅拌器、加热盘管、管线等金属物体,如果这些金属体裸露在被测液体的外部,而且正处于电磁波垂直传播的方向,如搅拌机旋转中的浆液转动,就会造成电磁波被提前反射回来,而造成被测液位偏高。2、雷达液位计安装地点距离容器壁太近或不垂直与被测液面,使电磁波在传播中照射到容器内壁而提前反射回来;电磁波在被测液面反射过程中没有原路返回(斜射时),致使雷达液位计检测不到反射电磁波;液面反射的电磁波经多重反射能量损失过多,而没有被选频电路选中,以上多种情况造成雷达液位计测量失真。二、波导体(绳缆、杆)上有挂料,电磁波沿着波导体传播中,在没有到达液面前遇到波导体上面的挂料而反射回来,产生虚假液位。安装的波导管不垂直与雷达液位计,造成电磁波斜射到波导管的内壁,而产生如同容器内壁一样的反射或多重反射而使测量失真。三、被测液体与雷达天线之间的净空中,气相介质蒸汽浓度太大,致使电磁波在空间传播中,能量损失太大,甚至反射波根本到达不了雷达液位计的接收器。被测液体有加热要求,上部安装搅拌机的情况下尤其严重,由于被测液体在加热搅拌中不断有蒸汽挥发,会造成液面以上的空间中充满了高浓度的介质蒸汽,其微小的液体颗粒不仅对电磁波产生漫反射而且会吸收大量的电磁波能量,使电磁波出现很大衰减,造成雷达天线无法接受回波信号。被测液体挥发附着在天线上,造成雷达失灵甚至天线损坏,现场如图:被测液体中含有水份时,挥发的水蒸气对于电磁波的吸能更加严重。由于水汽具有易冷凝的特性,气相空间含有的水汽在罐顶罐壁附近会逐渐冷凝,积聚在一起形成较大的水汽滴,充斥在液位上方的空间里,对于电磁波具有强烈的吸能作用,致使电磁波的能量衰减过大无法到达雷达接收器,造成雷达液位计彻底失去工作能力。四、雷达液位计天线附着赃物,致使电磁波刚刚发射出就被反射回来,甚至根本发射不出去。这样的状况即使使用防凝结的水滴形天线,也无法避免雷达液位计的突然失灵。雷达液位计天线附着赃物是被测介质挥发的升级加重,被测液体净空中大量充斥着气相蒸汽,其会附着在雷达液位计的天线上,特别是易冷凝的高粘介质,雷达液位计安装在储罐顶部温度较低,挥发的介质蒸汽极易在雷达天线上凝析附着,造成电磁波发射困难,情况严重时介质甚至在天线上结焦,损坏天线。同样被测介质含有水份时,水汽易在天线上附着,致使电磁波发射不出去,使雷达液位计彻底失灵。五、雷达液位计电路中的保护措施。雷达液位计是一种高科技的测量仪表价格昂贵,处于对仪表本身安全防护的需要,制造厂商普遍在电路中设置了很多保护措施,如超温保护、低电压保护,高液位保护,运行故障保护以及数据保持,错误锁定等液位检测防护措施。这些防护措施在日常使用中,如果雷达液位计出现问题,安全保护就会动作,造成雷达液位计停止工作,此时需要查找故障原因,清除恢复后雷达液位计才能正常使用。防护功能随厂商不同而设置,集成度高的防护措施多。如总线式的多功能雷达液位计,其本身的防护措施就非常多,日常维护要非常熟悉。雷达液位计故障及处理  雷达液位计在日常使用中常常会出现故障,其出现故障大体分为四种类型:数据不变,数据突然最大,数据突然为零,数据偏离实际值过大或过小且保持不变。这些故障没有根除的方法,只能是出现问题针对性的进行解决。根据日常维修维护的工作经验,本着先易后难的顺序归纳如下:1、断电重启雷达液位计本身有很多防护功能,如果正常运行中雷达液位计自身出现故障保护,可进行断电重启,此时雷达液位计内部的故障有可能消除,重新上电后恢复正常。这种处理方法适用于高液位测量的储罐雷达液位计的维修。毕竟十多米高的储罐,爬到罐顶上处理雷达液位计不是一个简单的事情,能在地面解决的先解决。2、通过面板消除故障如果断电重启仍然不能消除故障,要到现场实际查看故障,通过雷达液位计面板首先观察有无错误代码,有无故障保护措施,如果有通过面板清除,重启后观察雷达液位计是否正常。3、做空频谱雷达液位计的测量原理是检测接受到的电磁波频谱,若被测液体与雷达天线之间的净空中有较强的电磁波反射或干扰,那么雷达液位计极有可能把这反射的雷达波作为真实液面的雷达反射波来处理,从而得出错误的液位显示。雷达液位计空频谱操作比较简单,可在现场面板处进行设定,若现场没有操作面板则需使用带有雷达软件的电脑进行操作。现场操作如图所示:  处理这种故障可利用雷达液位计内部的软件功能,进行空频谱的检测。设定一个高于实际液面的空高距离,让雷达液位计检测空高中的所有反射的电磁波频谱,把那些接收到的高能量的频谱电磁波在电路中屏蔽滤掉,就可把真实的液面反射的电磁波检波出来,从而得到真实的液位。1、拆卸雷达液位计,擦拭天线这是雷达液位计最后的处理步骤,如果前面3种处理方法仍无法消除雷达液位计的故障,则需拆卸雷达液位计,查看天线的脏污状况,并进行清洗除污。之所以这是最后的手段,是因为现场使用的雷达液位计所测介质通常含有对人体有害的物质,万不得已不要拆卸。拆卸雷达液位计时,要做好安全防护措施,提前找一个盖板,用来堵住雷达液位计安装口,减少被测物质的蒸汽挥发,必要时要戴好防毒面具或呼吸器。综述  雷达液位计虽然是一种高精度的可以达到毫米级的液位检测仪表,没有可动部件使用寿命长等优点,但实际使用中会遇到各种各样的问题,这些故障问题不同于其他的液位测量仪表,偏离真实值只是一个很小的范围。雷达液位计出现问题就是灾难性的,不是最大就是最小,不是死数就是不变,因此雷达液位计在实际使用中的维修技能必须要熟练掌握,希望此文对于使用雷达液位计的人员有所帮助。   作者:焦安鹏  本文系作者授权工控网发表,未经许可,禁止任何个人及第三方转载。 
审核编辑(王静)
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