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　　液体储罐的高精度监测方案

　　相比超声波仪表，雷达料位计不受蒸汽、真空或压力（10MPa）影响。某原油储罐应用显示，26GHz雷达在ε=2.1介质中保持±3mm精度。两线制设计功耗<4mA，满足本安防爆要求（Ex ia IIC T6）。最新智能算法通过多点平均抑制液面波动，使动态误差降低80%。导波雷达（GWR）利用探杆穿透泡沫层，真实液位检出率>99%，特别适用于发酵罐等复杂工况。

　　摘 要: 液位测量是核电站自动控制系统中的重要组成部分。导波雷达液位计基于电磁波时域反射( TDＲ) 原理，具有受环境影响小、测量精度高等特点。导波雷达液位计作为一种新型的液位测量手段，已经在核电领域有了广泛的应用，但是在其应用过程中也遇到了一定的问题。针对福清核电汽水分离再热系统疏水箱液位计频繁出现的支撑件破碎、密封失效以及蒸汽补偿漂移等问题，进行了原因分析并给出了解决措施。通过对导波雷达液位计的改造，使得导波雷达液位计在核电高温蒸汽系统中得到了应用，提高了汽水分离再热疏水液位测量的性，保障了机组运行。该研究对推动导波雷达液位计在蒸汽系统中应用提供有力支持，对导波雷达这种新型液位计未来在更多测量环境中的应用起到了积作用。wfP压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

　　引言

　　导波雷达液位计作为一种新兴的液位测量仪表，克服了传统仪表的不足，在核电厂的应用逐渐增多。但导波雷达液位计在高温高压蒸汽系统使用时，还存在一些不足，导致系统液位测量失真［1］。汽水分离再热系统是核电厂汽轮机的重要辅助系统，主要应用于汽轮机运行期间，通过控制进入二级再

　　热管束的蒸汽量，对高压缸排气进行和再热，使进入低压缸的蒸汽有一定的过热度。其应用改善了汽轮机低压缸的工作条件，提高了汽轮机的相对内效率，减少了湿蒸汽对汽轮机零部件的刷蚀。在福清 1 ～ 4 号机组调试及运行期间，汽水分离再热系统二级疏水箱液位计多次出现故障，如液位计探杆泄漏、测量失效等。针对二级疏水箱液位计问题，采用新型测量方案，对汽水分析再热系统二级疏水液位测量作优化改进。

　　1 导波雷达物位计测量原理及特点

　　( 1) 导波雷达液位计的工作原理。

　　导波雷达液位计基于电磁波时域反射原理［2］，由电磁波发生器发射一个电磁脉冲信号发射到导波体上，以导波体作为信号的传输载体。当遇到被测介质表面时，部分信号被反射形成回波并沿相同路径返回脉冲发射装置。发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，测量发射与反射脉冲［3］。导波雷达液位计测量原理如图 1 所示。

　　导波雷达液位计测量原理图

　　( 2) 导波雷达液位计的测量特点。

　　①电磁波信号沿导波杆传输可消除假回波信号，减少信号丢失。

　　②整个测量装置无活动部件，无机械磨损。

　　③安装调试方便。

　　④不受介质 密度变 化 的 影 响 ( 但 是 需 要 单 一 介质) 。

　　⑤使用与高温、高压的物位测量。

　　2 现有设计缺陷导致测量不稳定的原因分析

　　核电厂二回路液位控制是核电厂重要的控制系统之一，其测量环境需考虑真空、高温、泡沫等多方面因素。传统液位仪表因其固有原理，无法通过自身技术的改进来消除误差。故本文采用了导波雷达液位计［4］。但在机组运行过程中，汽水分离再热系统原有导波雷达液位计导波杆的支撑件会破碎，支撑件碎片会进入到二回路系统中，形成异物，危及机组［5］。同时，导波杆内支撑件破碎后，因振动、冲击等因素会导致导波杆触碰到水位测量筒，使液位测量产生跳变，存在汽水分离再热系统二级隔离风险。受制于现场使用条件，汽水分离再热器二级疏水箱内充满饱和蒸汽。蒸汽是性气体，即蒸汽的介电常数会根据环境的压力、温度而改变。介电常数的变化会影响电磁波的传播速度。波速度公式为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

　　由式( 1) 可见，当介质的介电常数变化，则波速度会随之变化。由于电磁波在不同介质中的传输速度不同，比如在空气中的传输速度比在蒸汽中传输速度大，因此 汽 水 分 离 再 热 系 统 ( gas-liquid seperate system，GSS) 二级疏水箱液位计选用的都是蒸汽型导波雷达液位计［7］。

　　经统计，在功率运行期间，汽水分离再热系统二级液位计共计出现缺陷 91 项。其中，导波雷达液位计漏汽缺陷共计 38 项，二级疏水箱液位计偏差大共计 46项，因仪表故障导致通道测量不可用共计 7 项。

　　根据现场液位计缺陷情况来看，目前汽水分离再热系统二级液位计主要存在以下故障。

　　①液位计探杆支撑杆破碎。经分析，原汽水分离再热系统二级液位计所用的高温型导波雷达液位计，其探杆支撑件采用聚醚醚酮( PEEK) ［8］高分子合成材料。在运行过程中，该支撑件会逐渐脆化，在系统冲击工况下破裂。处理方式: 在测量系统改进前，机组只能通过每次大修期间，对探杆进行定期更换。

　　②液位计探杆密封失效。液位计探杆内部密封件采用 PEEK 材料进行隔热，靠近连接部位采用 2 个 O型圈进行密封。O 型圈耐温范围为 150 ℃ 。因汽水分离再热系统二级疏水箱内部温度达 280 ℃ ，探杆隔热材料失效，进而使 O 型圈失效，探杆密封泄漏，测量闪发质量位。处理方式: 目前出现探杆密封失效后，无法进行更换。

　　③液位计冷热态工况，液位测量出现偏差。液位计大修冷态调试时，3 支液位计偏差小于 20 mm。但汽轮机冲转并网后，因系统温度上升，3 支液位计偏差会达到 100 mm。在机组运行时间长后，液位计偏差也会逐渐增加，导致偏差超过 100 mm。处理方式: 目前只能在热态后，对偏差大液位计进行修正。机组功率运行后，每周定期巡检方式，检查液位计偏差，并及时进行修正。

　　3 改进方案

　　3． 1 导波雷达液位计支撑件改进

　　原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用PEEK 支撑件，同时也作为探杆隔热材料。PEEK 是芳香族结晶型热塑性高分子材料。PEEK 玻璃化转变温度为 143 ℃ ，其熔点为 334 ℃ 。这种材料耐抗有机和水环境，具有优良的化学性、热稳定性和抗氧化性。目前，应用汽水分离再热系统二级疏水箱实际运行温度为 280 ℃ ，仪表的设计温度为350 ℃ ，而 PEEK 物理特性耐温只有 250 ℃ ，因此运行时间过长会产生变形或碎裂。

　　为应对导波雷达液位计支撑件破碎及密封失效情况，此次支撑件设计采用 99． 7% 纯度的 Al2 O3 陶瓷材料［8］。该材料具有硬度大、耐磨性能好、质量轻等特点。其熔点在 2 000 ℃ 以上，具有良好的导热性、缘性以及透光性，介电常数为 9． 0 左右，适用于高温蒸汽型导波雷达液位计测量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力学特性如表 1 所示。

　　改进后探杆内部结构精密。蒸汽部分主元件采用氧化铝陶瓷，不会因为温度增高而变形、渗漏。密封元件采用耐高温的石墨密封 Graphite，是目前仪表产品在高温蒸汽方面的理想材料。其物理性能远远优于以前使用的 PF128、PEEK、铝矾土等材质，十分稳定。该结构整体密封结合紧密，可杜蒸汽进入。

　　3． 2 导波雷达液位计高温补偿改进

　　原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用点补偿方式，补偿点到电磁波发射口距离为 125 mm。如果测量点以上或者测量点位置有凝露或者误差，会放大传导到下方实际液位测量。为了地说明上述结论，定义系数 K。

　　导波雷达液位计

　　型号:KQ-DLDA

　　应 用: 液体、固体粉料

　　测量范围: 30米

　　过程链接: 螺纹、法兰

　　过程温度: -40～250℃

　　过程压力: -0.1～2Mpa

　　精 度: ±3mm

　　频率范围: 100MHZ～1.8GHZ

　　防爆/防护等级: Exib IIC T6/IP67

　　信号输出: 4～20mA/HART（两线）

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　　在如今工业发展四处蔓延遍布到很多城市，许多城市都在慢慢变成工业型城市，为了工作效率大都换成了大家伙的机器，街上真的随处可见都是大仪表，现在的工业仪器许多都做的笨重，只讲究实用性而不考究外观，而今天我带来的一个工业仪器外观比较可爱，小小一个仪器作用确是很多大仪器所不能及的。

　　如下图。

　　这个长得很像那个一说谎话就变长鼻子的匹诺曹，它有一顶绿的帽子，尖尖的鼻子，深邃的黑眼睛，别看它小，它应用的行业场景很多，水泥、电力、冶金、石油、化工、煤炭、食品等行业。适用于液体、浆液、带蒸汽液体以及低介电常数介质、带搅拌的储罐和过程容器以及固体料仓。

　　它应用这么多，那么它的原理到底是什么呢？

　　雷达液位计啊，它是通过一个可以发射能量波（一般为脉冲信号）的装置发射能量波，能量波在波导管中传输，能量波遇到障碍物反射，反射的能量波由波导管传输至接收装置，再由接收装置接收反射信号。

　　雷达液位计对化工机电有什么用处呢？这就得看它的特点了。

　　雷达液位计具有以下六点特点:

　　1、通用性:可测量液位及料位，可满足不同温度、压力、介质的测量要求。

　　2、免维护:测量过程无可动部件，不存在机械部件损坏问题，不需要过多维护。

　　3、准确:测量多样化，使测量准确，测量不受环境变化影响，稳定性。

　　4、不受真空、烟尘、蒸汽、惰雷达液位计是一种微波物位计，它是微波（雷达）定位技术的一种运用。所以能在化工行业常被使用到。

　　好啦，关于这个可爱的“小人”身上藏了这么多好处就讲到这里啦，导波雷达液位计对工业行业的这些好处，你get了吗？

　　罗斯蒙特导波雷达物位计 3302液位变送器用于液位测量和界面测量，为液体应用提供了具有成本效益的解决方案。工作温度:-40 至 150°C（-40 至302°F），工作压力:全真空至 580 psi（全真空至 40 bar）。ROSEMOUNT物位计 3302可配备多种探头，以适应大多数应用，如硬单线、分段单线、软单线、软双线等。通过发射脉冲和反射脉冲之间的时间差被转换成距离，计算总电平或界面电平。ROSEMOUNTVeriCase 是 3308 和 5300 罗斯蒙特液位变送器的移动验工具，具有 HART 和 Modbus通信。

　　ROSEMOUNT雷达物位计 TM 3300系列产品，功能多样，易于使用，可用于大多数储罐的液位监测应用，使用简单。带非导电表面和轻质金属的导波杆:可从变送器型号代码（例如，330xxxxx1xxxxxxxx）的第九个字符位置找到结构材料代码。不允许在有粉尘的易爆环境中使用含镁或锆超过7.5%的导波杆或法兰。除了更换整个变送器头或导波杆组件外，换用未经核准的部件或进行维修的行为都可能危害性，不得进行。罗斯蒙特液位计3300 系列是一种基于时域反射（TDR）原理的智能双线连续电平发射机。

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　　本公司主要代理经销欧洲、美国等厂家的工控机电设备、编码器、泵阀、液位计、传感器、流量计、变送器、分析仪、PLC、温度计等各种工控自动化产品和仪器仪表。公司以提供的服务为宗旨，与国内各企业建立广泛合作伙伴关系。

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　　ROSEMOUNT导波雷达物位计是由导波杆向下引导微波脉冲到达物料表面后，部分信号被反射回来，通过测量信号发射到接收的时间差得出物位高度。通过天线发射并接收能量少且短的微波脉冲信号，信号以光速运行，这种测量方式可以在工业频率波段内正常使用，可以安装在各种金属、非金属或者管道内，可测量物体十分广泛，如各类液体、浆液原料以及颗粒类物料，皆可进行非接触式的连续性测量，现场环境恶劣，工况相对复杂，存在各种形式的干扰，造成虚假回波的情况下，导波雷达物位计依旧可以准确的分析出物位的正确回波。在测量时应注意，理论上当发射的微波脉冲测量返回后到达天线的位置即可，综合考虑现场环境，被测物料是否会腐蚀或者粘附天线周围造成影响。

　　罗斯蒙特导波雷达物位计。通过标定只得到物位与时间之间关系的若干点数据，需要根据这些数据拟合或插值得到物位与时间之间的关系表达式才能实现物位的测量。针对导波雷达物位计测量不同相对介电常数的物料，基于MSP430F5418 单片机信号处理系统，采用二阶 Lagrange 插值法对真实回波的Z大峰值点进行修正，并运用多项式拟合或者一阶 Lagrange 插值对标定数据进行处理。水位测量实验结果表明，对 72.4cm长的导波杆，测量范围从 30~57 cm 拓宽到 20~72 cm，测量误差由 1.0 cm 减小到 0.5cm。喷漆挡板模拟物位界面实验结果表明，对 250cm 长的导波杆，测量范围可达从导波杆法兰下表面 20 cm位置处到导波杆末端，减小了测量盲区，且测量误差不大于 0.5 cm。

　　工业生产过程要求液位测量仪表应满足多功能、智能化、、精度高、免维护等要求，磁致伸缩液位计、导波雷达物位计和差压变送器均适用于液位测量，昌晖仪表结合这三种仪表在火电厂的应用，对差压变送器、导波雷达物位计和磁致伸缩液位计性能原理与液位测量应用现状作一对比。

　　1、工作原理

　　①磁致伸缩式液位计工作原理

　　如图1所示，磁致伸缩式液位计根据磁致伸缩原理设计，其在一个非磁性传感管内装有一根磁致伸缩线，在顶端装一个压磁传感器，每秒发出10个电流脉冲信号，并开始计时，电流脉冲同磁性浮子在磁致伸缩线上产生一个扭应力波，沿磁致伸缩线向两端传送。测量压磁传感器收到这个扭应力波信号的起始脉冲和返回扭应力波间的时间间隔，来判断浮子位置，即得被测液位，转变为成比例的4-20mA信号输出。

　　图1   磁致伸缩式液位计工作原理

　　②导波雷达物位计测量原理

　　如图2所示，导波雷达液位计由发生器产生一个沿导波杆向下传送的电磁脉冲波，遇到介电常数大的液体表面时被反射，计算脉冲波的传导时间，而得到液位位置。

　　图2    导波雷达物位计测量原理

　　③差压变送器测量原理

　　差压变送器传感器是双侧压力作用测量元件，经压-电转换器，处理为标准4-20mA信号输出。

　　2、分析与比较

　　①差压变送器、导波雷达物位计和磁致伸缩液位计原理比较

　　A、磁致伸缩液位计根据磁浮子位置测得液位，测量影响因素为介质密度，介电常数、气相组分、工作温度、压力对测量没有影响。

　　B、导波雷达液位计测量的影响因素为介电常数、气相组分，温度、压力对测量也有一定影响。

　　C、差压变送器是根据压差变化测量液位，影响测量结果的因素如腔体真空或负压产生虚假读数；管路内气泡带来干扰；容器内水的密度改变导致测量误差。

　　②差压变送器、导波雷达物位计和磁致伸缩液位计特性比较

　　A、磁致伸缩液位计特性

　　a、性强

　　由于磁致伸缩液位计采用波导原理，整个变换器封闭在不锈钢管内，和测量介质无接触，无机械可动部分，故无摩擦、无磨损，传感器工作，寿命长。

　　b、精度高

　　由于磁致伸缩液位计用波导脉冲工作，通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量，因此测量精度高，分辨率优于0.01%FS，这是用其他传感器达到的精度。

　　c、性好

　　磁致伸缩液位计测量时无需开启罐盖，避免了人工测量所存在的不因素；防爆性能高，本安防爆，使用，适用于对化工原料和易燃液体的测量。

　　d、易于安装和维护

　　磁致伸缩液位计一般通过罐顶已有管口进行安装，适用于地下储罐和已投运储罐，在安装过程中不影响正常生产。

　　e、便于系统自动化工作

　　磁致伸缩液位计的二次仪表采用标准输出信号，便于计算机对信号进行处理，容易实现联网工作，提高整个测量系统的自动化程度。

　　B、导波雷达物位计特性

　　a、对液体、颗粒及浆料连续物位测量不受介质变化、温度变化、稀有气体及蒸汽、粉尘、泡沫等的影响。

　　b、液体量程小于15m时，测量精度为±5mm；量程大于15m时，测量精度为5mm±0.05%。

　　c、量程60m，耐250℃高温、40kg高压，适用于爆炸危险区域。

　　d、对蒸汽和泡沫有很强的抑制能力，测量不受影响。

　　e、顶部和底部具有盲区。

　　C、差压变送器特性:

　　a、常规差压变送器在许多液位测量应用中，在液体有额外的蒸气压力。由于蒸气压力不是液位测量的一部分，需要使用引压管和有密封件的毛细管来抵消它的存在。

　　b、电子远传技术采用数字结构取代机械部件，响应速度更快，测量精度也有所提高。

　　c、天气寒冷时装置通常需要伴热或保温，要检查引压管漏水、冷凝、蒸发和堵塞。

　　d、距离过长的毛细管会使压力传输变得误差过大，同时安装过程要求较高。

　　表1  差压变送器、导波雷达物位计和磁致伸缩液位计特性比较

　　仪表类型               测量精度        性        安装                        泄漏点           维护量           寿命

　　差压变送器               低               一般           复杂、附件多           较多              大                  长

　　导波雷达                  较高            较高           简单                        较少               低                  较长

　　磁致伸缩                  高                高              简单                        少                  低               长

　　③工况干扰比较

　　实际应用中常见工况产生干扰和影响的情况如表2所示。

　　表2      实际应用中常见工况产生干扰和影响的情况

　　常见工况                      差压变送器                  导波雷达物位计              磁致伸缩液位计

　　压力变化                      影响很大                     无影响                            无影响

　　温度变化                      影响很大                     有影响                            无影响

　　震动干扰                      影响很大                     有影响                            无影响

　　电磁干扰                      无影响                        有影响                            无影响

　　介质                             水、汽                        水、汽                            水、汽

　　介电常数                      影响很大                     影响很大                        无影响

　　介质成分(如水、汽)      影响很大                     影响很大                        无影响

　　④适用范围比较

　　差压变送器、导波雷达物位计和磁致伸缩液位计适用范围如表3所示。

　　表3    差压变送器、导波雷达物位计和磁致伸缩液位计适用范围

　　适用范围                      差压变送器                    导波雷达物位计                  磁致伸缩液位计

　　压力0-1MPa                    适用                                 适用                                  适用

　　压力0-4MPa                    适用                                 适用                                  适用

　　压力0-30MPa                  适用                                 ——                                 适用

　　温度0-100℃                    适用                                 适用                                  适用

　　温度0-220℃                    适用                                 适用                                  适用

　　温度0-565℃                    适用                                 ——                                 适用

　　精度5‰-1‰                  适用                                  适用                                 适用

　　精度1‰                          ——                                 ——                                 适用

　　量程0-5m                        适用                                 适用                                  适用

　　量程0-10m                      适用                                 适用                                  适用

　　量程0-30m                      适用                                 适用                                  适用

　　由对析可知:

　　①磁致伸缩液位计适用于电厂工况，精度高，稳定性很好，安装与维护量很小，基本不需要维护。在电厂高加、低加、凝汽器、除氧器等容器设备以及其他辅机工位，如油站、化水等均适用。其凭借环境适应性强、安装方便、高精度、低成本、免维护的优点，在当今液位测量领域占较大优势。

　　②导波雷达液位计适合的工况较好，对温度和环境要求较高，对于安装空间有一定的要求。安装要求避开进料口，以免产生虚假反射。不能安装在拱形罐的中心处（否则传感器收到的虚假回波会增强），也不能距离罐壁很近，佳安装位置在容器半径的1/2处。只有物料处于顶部盲区和底部盲区之间时，才能罐内物位的测量，满足精度要求。调试较方便，运行和维护量不大。

　　③差压变送器适合的工况有限，而且传感器零漂移严重；测量偏差大，长期工作稳定性差，精度较低，受环境影响较大；安装及维护量较大，无论是正常运行还是例行维护，工作量都较大，现在基本作为一个备用选择。

　　是一种常用的液位测量仪器，其具有高精度、高反应速度、广泛的应用场景等特点。本文将介绍导波雷达的应用场景，并从两个实际测量案例出发，说明导波雷达液位计的性。

　　导波雷达液位计的应用场景，导波雷达液位计由于具有高精度、反应速度快、性好等特点，因此其应用范围广泛。常见的液位测量应用场景如下:石化工业:如、反应釜、造纸机械等等;食品工业:如糖浆储存罐、烘烤炉、松饼罐等等;污行业:如污水池、沉淀池、调节池、反渗透设备等等;电力行业:如水库、大型油罐等等。

　　两个导波雷达液位计实际案例，个石化厂储罐液位测量，在这个案例中，一个石化厂需要对大型储罐的液位进行监测。考虑到储罐的大型、高度等因素，这里采用了导波雷达液位计进行液位测量。由于储罐液体性质较为复杂，如锂盐、溴化钾等腐蚀性物质，因此对测量仪器的性和精度提出了较高的要求。经过使用导波雷达液位计进行液位测量后，其反应速度和精度都得到了较好的保障，为厂家带来了较好的生产效益。第二个食品工业烘烤炉温度测量 在食品工业的烘烤炉中，需要测量炉膛的液位，以便控制烘烤温度和时间。传统的液位计在液位变化较大的情况下不准确，需要经常进行手工调整。为了提高测量的准确性和便捷性，这里应用了导波雷达液位计进行液位测量。因为导波雷达液位计具有反应速度快、高精度的特点，它提供了准确的液位读数和高水平的自动控制。

　　导波雷达液位计具有高精度、反应速度快、性好的优点，广泛适用于石化、食品、污水处理等各个领域的液位监测。本文从两个实际测量案例出发，说明了导波雷达液位计在不同行业的应用场景以及其性，为相关用户提供了参考和帮助。在实际应用中，需要注意不同场景和环境对导波雷达液位计的要求，并且根据实际情况进行存储、维护和保养，以维护其高精度、、的测量品质。