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电容物位计:电容物位计设计选型之六个方面详细分析

作者: 点击:358 发布时间:2020-10-03 17:59:54

 摘要:从利用角度出发,比较了超声波液位计的接触与非接触利用方法的差别,剖析了非接触式的频率跟天线选型、导波的探杆抉择,具体论述了稳液井的制造请求。德国e+h音叉物位计一种新型的物位开关,也常被称为音叉式物位计或者音叉式物位控制器,它是利用音叉振动的原理设计制作的。电容物位计利用电容量的变化来测量容器内介质物位的测量仪表,在容器内,由电极和导电材料制造的容器壁构成了一个电容。对于一个给定的电极,被测介质的介电常数不变时,给电极加一个固定频率的测量电压,则流过电容的电流取决于电容电极间介质的高度,并与之成比例。阐释了电容物位计设计选型之六个方面具体剖析。
 (微波)物位计自20世纪70年代呈现以来,性价比一劳永逸,当初已占物位丈量范畴市场份额的25%,仅次于压力(差压)式物位计。电容物位计利用电容量的变化来测量容器内介质物位的测量仪表,在容器内,由电极和导电材料制造的容器壁构成了一个电容。对于一个给定的电极,被测介质的介电常数不变时,给电极加一个固定频率的测量电压,则流过电容的电流取决于电容电极间介质的高度,并与之成比例。电容物位计基于有源的回波测距原理,即波(通常采取微波段)在传播途中介质的介电常数或多少何外形转变时产生反射。依据波处理方法的不同,电容物位计分为调频连续波型FMCW(frequency modulated continue wave)跟脉冲(pulse)型,前者的处理对象为发射与接收信号的频率差,后者为时光差。个别而言,采取调频连续波技巧,电子线路庞杂,功耗大,大多采取四线制,但信号强、抗烦扰才干强、丈量牢固、正确度高,多用于储罐计量;采取脉冲波技巧,功耗低,个别用二线制24V(DC)丈量回路供电,轻易实现实质保险,处理算法成熟丰富,实用范畴广,更适合于工况庞杂多变的进程丈量。但近年来随着丈量技巧的进步,两者在丈量跟利用后果上的差别越来越小,精度都可能达到±1mm以内,都有高速跟踪液位的表示。另外,还有将两者结合起来的调频脉冲波型,其脉冲波的载波是连续调频的。 1 电容物位计设计选型1.1 电容物位计综述依据波传播方法的不同电容物位计可分为介质接触式与非接触式。前者波在导波资料限定的空间内传播,后者在自由空间里传播。装置在自由空间里的非接触,其微波信号以天线中心为轴线发射,并沿着此轴线在1个限定的锥形束角内(即半功率波束宽度,又称波束角、辐射角、散射角,有时波束角外的能量也不容忽视)推动传播,传播沿程信号以 ;反比于间隔二次方 ;的速度敏捷衰减。因此,丈量的要害是接收到足够能量的反射回波,并识别出有效回波。接收的回波能量k可用简化的方程表示如下:式中:Pτ———天线辐射功率;C———教训系数;Gi———由目标名义介电特点及面积决定的反射增益,Gt,Gr———天线发射跟接收效力;R———天线与目标间的间隔。 上述参数是设计、利用电容物位计必须考虑的重要因数。表1列出了反射回波能量的衰减与电容物位计4参数的关联。个别来说,波在自由空间传播的非接触电容物位计所接收到的返回信号能量远小于它所发出能量的0.1%。采取波导体可能束缚波的传播空间,减少散射,大幅进步反射回波的品质,使得返回信号中的烦扰性杂散信号极小,简化回波的辨别处理,从而发射功率也可能更低,故导波个别都采取脉冲式工作原理。 1.2 介质接触与非接触的利用方法接触与非接触的分类依据是波传播方法的不同,介质接触即为导波,假如有必要且可能利用介质接触式丈量方法,接触式为 。波导体可能是仪表自带的探杆,也可能是现场制造的金属管。介质接触利用方法包含导波(guided wavedradar),稳液井(stilling well)跟旁通管(bypass pipeor external chamber or side vessel)里装置的非接触(non-contacting radar or through air radar orfree-radiating radar)或导波;导波探头情势有同轴、刚性杆、柔性缆,导波的同轴式探头从实质上来说是小口径稳液井中心加了1根刚性探杆。与稳液井或旁通管里装置非接触比较较,导波是一种简单的解决计划,两者目标一致。 1.2.1 适合介质接触的工况1)非导电介质(1.2≤εr≤2.0,εr为 介电常数,以下简称介电常数)。考虑现场工况时,应特别留神两点:天线到被测介质间气相介电常数的散布;被测介质名义状况及其介电常数。波在界面的反射率与两介质的介电性差别密切相干,有时,传输介质的导电导磁性引发的微波传播速度变更不容忽视。大局部物质介电常数大于1.4,空气或真空的介电常数为1.0,波由真空或空气射向介电常数为εr的物料时,名义反射度R=介电常数在1.0邻近的介质反射率(即反射度)低,此时,非接触式往往接收不到足够强度的界面反射回波。对介电常数特别小的液化气体,优先利用非接触式并装置在稳液井上,好于旁通管装置,后者存在进口管线烦扰,如有可能考虑在旁通管内装置稳液井(管套管);杆式探头导波装置在直径不超过150mm的稳液井或旁通管里,会获得等同于同轴探头导波的更佳 后果。非接触采取间接丈量技巧,如罐底跟踪模式,利用物位变更时罐底回波行程的转变甚至可能丈量介电常数低至1.05的物料,类似的技巧也用在导波上。 2)物料气相妨碍或接收波。气相中存在使波衰减的物质,如含高介电性的粉尘粉末(石墨,铁合金等),丈量间隔跟后果会受影响。某些物质因自身或与空气中其余成分产生化学反应而电离成离子,从而使其气相存在微波接收性,其气液两相介电常数的差别也因此减小,这样会减弱界面回波。如液氨的介电常数常温下(25℃)为14.9,不属于非导电介质,仍应采取稳液井上的低频非接触或导波电容物位计。固体物料沉积往往有一定的安眠角,此时应考虑导波。特别是粉状物料,名义蓬松以及介电常数很低的塑料粒子,微波反射相称艰苦,且气相中重大的粉尘会在一定水平上反射回波。 3)装置环境庞杂。容器内设备的反射会带来较大烦扰,有以下多少种情况:内妨碍物较多,比方在非接触的波束角内有液位开关或温度传感器;内有 天线即丈量参考点对称的装置,如加热盘管、隔板等;球罐跟卧罐、水平圆柱形跟球形储罐的罐壁及罐底会带来较大的反射烦扰,可能存在因容器外形而导致多重回波所产生的烦扰影响。特别是容器内妨碍物太多或导波的探头与妨碍物太近时,应利用抗烦扰才干强的同轴探头。浮顶罐个别采取稳液井,高精度丈量时还要考虑介质气化对微波传输速度的影响。 4)液面湍动及液面有泡沫。液面湍动有可能引起多径反射,要避免装置在有很强涡流的处所,如搅拌或很强的化学反应处。名义的泡沫可能会接收或反射波,视泡沫的导电性而定:对干泡沫,微波信号可能穿过,直接达到液体名义;中性泡沫可能接收或散射微波,难以预判;湿泡沫名义会反射微波信号;当介质名义为稠而厚的泡沫时,丈量误差较大或无奈丈量。比较而言,低频穿透泡沫的才干比高频强。 采取四线制、大尺寸特别设计天线、高频、连续调频波的非接触电容物位计能发射接收到更强的信号,并采取功能强盛的微处理器进行庞杂的信号处理,可能在很大水平上应答上述四种工况,利用非接触物位丈量方法同样可测介电常数低至1.2的物料的液面,施展其上风;另外,进步的烦扰回波锁定及烦扰克制技巧也可能很大水平上克服烦扰。然而,比较接触式丈量方法,其价格昂贵。 5)界位丈量。导波的低频波穿透性强,无发散角,回波更强,使其不仅适合丈量气液(气固)两相的界面,还可能丈量介电常数相差大的上层非导电与下层导电液体的界位。典范利用是油水界位丈量,但需留神介电常数对波速度的影响,上层物料的介电常数必须正确输入,液界位已知时则可反算介电常数。  1.2.2 不宜接触介质的情况利用介质接触丈量方法就象征着放弃了非介质接触式丈量的优点,以下情况应利用非接触丈量方法:1)高黏度、重大沉积跟结晶的介质。沾染物或沉积物轻易积聚在探头或稳液井内壁上。薄的、均匀的积聚物对丈量有略微的影响;厚的积聚物会造成信号衰减并减小丈量范畴;厚重、不均匀的粘附物形成结疤处有可能被错误地评定为界位,导致不正确的丈量。 来说,同轴探头与双探头抗烦扰的才干最强,也最轻易受挂料的影响。该种情况下,应采取非接触式丈量方法。留神此时个别有加热盘管、搅拌叶片、搅拌产生的泡沫漩涡、湍动液面、物料挥发、蒸汽等不利丈量的因素存在,这些都是非接触选型装置时要着重考虑的。 2)探头轻易伤害的场合。容器内装置搅拌器,有时搅拌器会对探头产生较大机械负载的场合,横向切应力可能会折断探头,须要机械支架或者装置利用稳液井跟旁通,确认是否采取非接触式丈量仪表更适合;另外,存在强研磨作用的固体块料,如铁氧体,会磨损导波的探头,降落探头的张力负载,也轻易伤害探头。 1.3 非接触的高频与低频频率影响决定不了精度,精度受信号发射接收方法及回波处理算法的影响。 1.3.1 高频的上风高频电容物位计存在能量集中的特点,利用小尺寸的天线就能获得小波束角跟大的天线增益。天线有 ;孔径 ;跟汇聚效应,以个别锥形天线为例,天线尺寸(圆锥天线直径D)跟频率也决定了散射(波束)角的大小,波长λ越短,波束角越小,增益越大,能量更强更集中,量程更大。如5.8GHz天线尺寸为150,200,250mm时,散射角约为23°;19°;15°;26GHz天线尺寸为40,50,80,100mm时,散射角约为23°;18°;10°;8°。故高频电容物位计适合外形狭高的储罐,能避开庞杂结构罐中的烦扰。 丈量散料时,回波重要来自毛糙料面的漫反射,漫反射的强度与物料大小成正比,与波长成反比,当反射面的线度与波长相称或更大时,才干产生反射。显然,工作频率越高,其波长越小,对颗粒较小的物料,更易于产生漫反射,而大局部散料的直径远小于50mm,故高频是散装料物位丈量的更佳 抉择,较小的波长可能更大 水平保障发射出去的波可能在毛糙的固体名义反射回探头。 1.3.2 低频的特点高频波穿透介质时,表示更强的散射性,丈量空间有粉尘或蒸汽时,散射丧失的能量较多,气体的谐振会对某些频率的微波产生抉择性的接收跟散射,空气中的氧跟水蒸气在K波段存在明显的接收波峰,故高频并不老是更佳 抉择。 低频抗天线挂料跟冷凝物的才干强,它较大的波束角跟较长的波长使之在液面湍动的情况下能供给更好 的回波。低频穿透泡沫的才干也强于高频,受沸腾名义影响小,名义沸腾、冒泡、趋于生成泡沫时,低频更适合。 1.4 非接触的天线天线是电容物位计的要害部件,天线的材质、外形跟尺寸决定波的聚焦跟灵敏度。1)圆锥天线与管状天线。圆锥与管状天线采取不锈钢、哈氏合金或钽等材质,存在聚焦特点优良、物理及化学特点牢固、耐用坚固等优点,实用于绝大多数场合。两种天线外形近似,同口径的管状天线更长,聚焦性更强,有些管状天线是专门为管内装置设计的,套管及近管壁适应性更好。圆锥天线整体包覆PTFE、陶瓷或其余耐腐化绝缘资料,做成密封天线,会明显进步其化学牢固性、抗凝水及抗粘附才干,尤其实用于尺寸小的高频天线。一体化垫片法兰天线,即所谓法兰下置型天线就属于这一类,其圆锥内藏,实质是放置在一块高分子绝缘资料板后面的喇叭口天线,板个别呈倒三角锥形,因为微波可穿透,又称为 ;窗 ;重要用于强腐化性或卫生水平请求很高介质的液位丈量。 2)绝缘杆天线。绝缘杆天线又称杆式天线、卫生型天线,个别由PPS,PTFE,Teflon等化学高分子资料制成,化学特点牢固,特别实用于强腐化性介质或卫生水平请求很高的场合。其冷凝物自流除,易荡涤;冷凝水积聚及介质粘附的敏感水平要小于喇叭口天线,这是因为杆式天线有效发射波的面积要弘远于喇叭天线(后者馈源只有笔尖大小);其天线的装置接收尺寸小,特别是带有金属屏蔽管的天线可适应更细的装置接收,可在小管径及有冷凝跟粘附的装置短管内进行坚固丈量,多用于C,X波段,个别发射波束角大,信噪比小,常用于丈量前提较好的卫生型、腐化性介质的丈量。比较其余品种天线,绝缘杆天线抗荷才干差,受力会有变形或折断的危险。 3)水滴(球)型天线。水滴型天线采取水滴形宽带振子作为馈源,尤其适合连续调频波。材质为PP或PTFE等化学高分子资料,卵形的结构,名义润滑,不易挂料,轻易自清洁。在与锥形天线尺寸等同的情况下,水滴型天线的波束角更小,K波段天线尺寸为80,150mm时,散射角分辨为8°;4°;但机械强度弱于锥形天线。 4)抛物面天线。抛物面反射器与焦点处的馈源两局部组成短背射抛物面天线,波束角可能做到4°或更小,能量集中,烦扰回波少,量程更大,实用于丈量低介电常数的料面,可用于狭长储罐。其天线尺寸同样在C,X,K三波段顺次减小,如5.8GHz时,尺寸为450mm的天线可获得7°的波束角;26GHz时,尺寸为200mm天线可获得4°的波束角。大尺寸抛物面天线的低频电容物位计在重大结垢结焦、挂料、蒸汽、冷凝的场合中利用有良好后果对沾染最不敏感,多少乎完全免维护,但拆装不便。 5)平面阵列天线。平面阵列天线采取平面阵列技巧,将若干个小天线组成天线阵,其多点发射源在同一平面内,使得丈量参考点由一基准点变成了一基准平面,配以相应电子线路跟信号处理方法,可能大幅进步丈量精度。个别天线装置在稳液井内时,其丈量精度会明显降落,且易受管壁平坦度的影响,而稳液井专用平面阵列天线,其多点发射源的场模式使得各方向的场能量散布动态均衡( 单点发射源线性极化的场能量散布),场能量重要集中于管中心,可有效克服不平坦管内壁(焊缝、生锈、挂料等)的影响。平面天线的毛病是抗自身冷凝与挂料结垢的才干弱于其余品种。  1.5 稳液井与旁通管的利用 稳液井的材质个别为金属,导波或伺服液位计可能装置在金属、塑料或其余不导电资料制造的竖管里,所有竖管都能隔离工况,去除泡沫,供给牢固的反射面。因此,稳液井也称稳态管或稳波管,但只有金属材质才干起到屏蔽烦扰与聚波(导波)的作用。当稳液井起导波作用时可称作导波管,为保障坚固丈量,个别有如下请求: 1)管径。管内径必须恒定,微波的传播、衰减模式与微波的频率跟导波管的内径有严格的对应关联,导波管内微波的传输速度由管内径跟微波波长决定,内径减小,速度也会相应减小,管径必须均匀并正确丈量后输入,内部软件会对波速变更进行弥补,内径不均将带来误差。管内的微波传输模态(mode)不止一个,每一模态都有 无二的传输速度,模态数与波的频率跟管径相干。为限度模态数,管径倡导为50~80mm,个别不超过200mm。大口径管里,低频优于高频,故高频更应当利用小口管径。6GHz,10GHz,26GHz的非接触管径尺寸范畴个别为80~200mm,80~150mm,40~100mm,不同管径应配合相应尺寸的圆锥天线。天线外沿与管壁的缝隙越小越好,大缝隙可能带来大的丈量误差,小缝隙有助于在恶劣前提(管壁挂料、蒸汽、旁路进口管、焊缝、隔离球阀)下进步精度,增大量程;单探头导波的相配管径个别为40~150mm;平面天线管内径可能达到300mm。低频比高频更适于内壁龌龊、挂料、冷凝场合的利用,即内壁毛糙时,低频优于高频,故低频更适于管内装置。高频装置的装配请求低(如小的波束角容许天线在小间隔抬出装置管时仍能正确丈量),但应当用于清洁场合。利用于粘附性介质,管径应恰当大一些。 2)长度。丈量范畴从管末开端,故导波管的末端开口的必须达到须要丈量的更低 液位,这样才干在管中进行丈量。 3)内壁润滑。毛糙的内壁反射将带来强烈烦扰,削减有效回波,引发误差甚至不正确的丈量。内壁应避免生锈、挂料、焊缝。管材更好 为无缝不锈钢管,尽量避免焊接延长。采取预焊接外套管接头或法兰延长时,接收需正确对齐,缝隙也有严格限度。 4)开孔。开孔的 目标就是导液,以保障管内外界面一致。孔径不大于管径的10%,大的开孔会带来虚假回波,孔距至少为150mm(或遵守仪表装置说明),且至少有一个孔高于液面。开孔面积及数量与介质特点(黏度、分层、混淆水平)有关,孔可能单侧开或对开,排成纵列,警惕去除毛刺。 5)装置定位。对微波线性极化的,容许开导液后果更好的长圆孔甚至长方孔(同样请求宽度不大于管径的10%),开孔长度跟数量不会对丈量有任何影响。这是因为其发射的微波有很强的方向性(偏振),全部发射波的能量散布是以近似卵形的外形发射出去的,为减小烦扰,个别请求椭圆长轴(极性)方向垂直于烦扰源。对微波圆极化的,所发射微波能量各方向也是不均的,但其极性是旋转变更的,故装置无需特定方向。依据反射波的极性识别,可能削减固定烦扰源、多径反射带来的虚假回波,更好地跟踪液面回波。现场装置时,可尝试旋转,同时查看回波品质,以实现更佳 位置装置。 6)适配的天线与探杆情势。管内个别装置圆锥跟平面阵列天线的非接触或者导波,绝缘杆天线的非接触则视具体型号而定。利用平面阵列天线或者导波探杆时,对导波管内壁润滑度请求大幅降落,甚至容许按一定的请求变径。 7)附件。可能穿过球阀进行丈量,阀必须全开与稳液井同径对齐,保障与静液井上球阀或旁通管进口有一定的垂直间隔。丈量湍动或流动的介质,须要将导波管固定;对较长的导波管,须考虑分段固定。 绝缘物料反射率低,浅液位时,信号可穿透液位达到罐底,平金属器底的反射会强于实在料面,此时需在导波管末端装置斜置的反射板或将导波管末端曲折,避免朝向器壁及大的金属内构件。依据须要,稳液井可能按一定请求曲折。  1.6 导波的探头导波的探头有刚性(rigid rod probe)跟柔性(flexible cable or rope probe)两种。不便利用刚性探杆(装置空间受限、长量程运输装置艰苦)时,可利用柔性缆绳,固定末端可使柔性缆绳垂直于倾斜的固体料面;同轴、双探头、单探头结构则依据工况选取,探头长度可依据量程任意切割。 1)同轴探头。同轴式探头能量集中在小口径的金属管内,导波沿程阻值恒定,能量传输效力高,可检测到渺小的导电(介电)性变更,更适于超低介电常数液体物位或界位丈量,不受液面湍动的影响,抗烦扰才干强,装置空间请求低,可能近容器内金属构件装置或与其余物位仪表装在同一旁通管内,且互不影响。其结构决定了其实用于低黏度(不大于500mm2/s)清洁介质,不实用于脏
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