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雷达物位计在蒸汽回路中的正确使用理论说明

来源：上海自动化仪表有限公司作者：发表时间：2019-02-02 08:46:51【小中大】

任何基于锅炉的发电系统的核心和灵魂都是蒸汽回路或回路。如果在该系统中没有适当的水供应，效率就会受到影响。在更极端的情况下，会发生太多水（残留物）或太少水（低水条件）对其他组件的损害，并缩短锅炉的使用寿命。在最极端的情况下，可能会发生干火事故，造成严重损坏和人身伤害。

我们威尼斯8040研发的新技术--雷达物位计在蒸汽回路中的液位指示是至关重要的，但用于测量它的方法进展缓慢或变化缓慢。其中一些原因是由于代码要求（ASME锅炉和压力容器规范的PG-60）或对“新”技术缺乏信心。仅在过去15至20年（最近在锅炉/蒸汽回路历史方面），诸如磁性液位计或差压装置等技术已被用于代替直接读取玻璃量规等应用，例如给水箱，高压预热器或热水井。这些相同的装置现在也用于鼓水平指示。蒸汽回路应用技术篮子的最新成员是雷达物位计。

操作理论

雷达是无线电探测和测距的首字母缩写，于1935年获得英国专利。雷达最初是军用的，用作定位或识别船舶和飞机的方法。因此，这些单元非常强大并且使用频率调制连续波（FMCW）技术。相比之下，用于物位测量的雷达设备使用更短波长的电磁辐射 - 1.5至26千兆赫 - 通常称为微波。它们还有两种典型配置，自由空间/非接触或导波/接触。

大多数用于水平检测的雷达物位计装置采用电磁脉冲（微波）来测量水箱中的液位。与声速一样，光速（电磁辐射）众所周知 - 每秒186,000英里。通过识别微波脉冲从测量装置到液体并返回的时间来确定液位。

为什么雷达级设备使用微波与电磁频谱中的其他类型的能量相比？

蒸汽，温度，压力，积聚和冷凝物等工艺条件对雷达物位计影响不大。但是，需要考虑过程介质反射或不反射微波的能力。通过观察介质的介电数，可以确定介质反射微波的能力。电介质数量是绝缘材料的极化功率的量度，或者可以在一种材料与空气中存储多少电荷。水的介电常数为80，被认为是微波的重要反射器。空气的介电常数为1，被认为是微波的不良反射器。

雷达物位计使用与非接触式雷达设备相同的原理 - 它具有发射和接收反射微波能量的能力。这两种器件之间的主要区别在于典型的工作频率（雷达物位计为1.5 GHz）和波导的存在。波导管是金属杆或电缆，它将能量引导到过程介质。发射器将脉冲引导向导，大约80％的可用能量保持在8“半径范围内。

为什么在过程介质上获取更多能量会有所帮助？

这完全取决于信噪比。即使受到喷嘴或点位设备的干扰，也可以将更多的能量反射回变送器。更多的能量还意味着能够更好地使用较低介电液体或其他可能会降低信号强度的因素，如搅拌或泡沫。就像非接触式雷达一样，雷达物位计非常精确（±0.4英寸），精度与液体的电导率，密度和介电数无关。这意味着如果发生过程液体的变化，则不需要重新配置仪器。

蒸汽循环应用

威尼斯8040已经讨论了雷达物位计在水平指示应用中可以提供的一般优点。现在，是什么让蒸汽循环应用与众不同？

由雷达物位计产生的微波脉冲的传播速度是明确且稳定的。压力（真空或高压）或温度等典型工艺条件对此速度的影响最小。蒸气毯也是如此。通常他们不是一个重要的问题。但是，有些特定情况下这种说法不正确！

如果所讨论的蒸汽被认为是极性气体（其介电常数可能由于压力/温度而改变的蒸汽），则可以影响微波脉冲的传播速度。即使在非常高的压力/温度下，碳氢化合物的介电常数也几乎没有变化。另一方面，蒸汽受应用的压力/温度的影响很大。

为什么这种现象会影响雷达物位计的性能？

雷达脉冲以光速传播，但这一事实取决于通过蒸汽移动的介质常数<1.0的脉冲。如果容器中蒸汽空间的介电常数开始变得大于1.0，那么传播速度将降低。这意味着脉冲需要更多时间才能到达液体表面并返回发射器。如果由于传播速度降低而导致时间增加，则雷达物位计提供的电平指示将低于实际值。

这实际上对我的测量有什么影响？

在饱和蒸汽的较低压力下，所经历的测量误差相对较小并且可能不明显。但是，一旦需要400°F的工作温度，则不一定如此。测量误差可以是3.5到4％。在600°F时，该误差可以增加到19％或20％！

如何解释这对我的水平指示的影响？

历史上，抵消蒸汽相的物理效应的唯一方法是在变送器的电子器件中实现校正因子。虽然这有效，但它有一个很大的缺陷。校正系数仅对给定的压力/温度设置有效。在启动期间或如果应用程序的操作参数发生更改，此调整将无效。事实上，它实际上可能使测得的误差比没有校正因子的情况更糟。另一种方法是将补偿表编程到DCS或PLC中，以便它负责校正来自雷达物位计的原始信号。动态补偿形式是一种更好的解决方案，可确保无论过程如何变化，您的液位测量都是准确的。实现此目标的最佳方法是在波导上实施参考部分。

参考部分为雷达物位计提供已知距离以比较返回信号。它始终位于应用的蒸汽或蒸汽阶段，并向变送器提供小的返回信号。发射器正在寻找此信号并将其与已编程的参考距离进行比较。如果它们匹配，则发送器知道它从过程接收的电平信号是否正确。如果参考回波比已知参考距离更远，则发射器中的电子器件知道电平信号将具有成比例的偏移。此时，算法将自动对此进行补偿，并为DCS / PLC提供准确的水平。

威尼斯8040提供动态气相补偿的导波雷达将提供高精度的液位测量。该设备设计合理，可在高达2900 psig @ 690°F的饱和蒸汽条件下运行，无需担心电子设备损坏。它还将消除对必须考虑的测量误差高达20％或更多的担忧。相反，您可以直接从您的雷达物位计获得您可以依赖的等级指示。

选择雷达物位计时需要考虑的另一个方面是设备的机械设计。在较高压力/温度的蒸汽回路应用中，必须考虑到装置承受极端条件的能力。每个雷达物位计在波导和电子设备之间使用隔离材料，负责发射微波脉冲并接收返回信号。对于标准单元，该隔离材料是聚合物，例如Teflon?或PEEK。在较低温度下（Teflon?约为300°F，PEEK约为450°F），这些材料非常棒。不幸的是，它们在高温下不具备所需的耐久性。最终蒸汽会绕过聚合物，导致电子设备损坏和设备故障。

比较与蒸汽回路中采用的其他更传统技术相比，具有动态补偿的雷达物位计的精度和性能如何？

直接读数玻璃管液位计

对于锅炉汽包水平，这仍然是ASME锅炉和压力容器规范中每个PG-60唯一真正的直接液位指示。直读式玻璃量具可以与其他非直接读取设备一起使用，但不能消除。因此，必须存在至少一个可操作的玻璃量规。还有一些额外的法规和要求，我们不会花时间在这里讨论。

历史上直接读数玻璃管液位计也用于蒸汽回路中的其他非编码容器。随着时间的推移，玻璃仪表上存在的许多垫圈会磨损和失效。没有用于更高压力/温度服务的云母屏蔽的玻璃存在蚀刻的风险，这将导致其在压力下变弱和失效。Belleville垫圈也需要帮助保持压力/温度循环的密封完整性。最终，许多这些装置已被缓慢更换为能够从控制室监控的维护密集度较低的装置。

置换器变送器

这是一个半弹性浮子或重量连接到弹簧秤。整个组件通常封闭在连接到锅炉鼓的腔室中。当浮子重量与鼓水位一起变化时，弹簧平衡上的变化张力被转换为水平信号。

这些系统遇到的问题源于磨损和维护。随着时间的推移，金属疲劳会导致测量漂移和水平指示误差。腐蚀也会影响设备的性能，特别是如果不严格控制水质。即使没有发生这种情况，置换器的设置也是基于特定的水密度。如果水的压力/温度变化，水平指示将关闭。

带有电导率探头的水柱

这些设备长期以来一直与直读式玻璃仪表配合使用，为控制室提供远程读数选项。虽然在技术上不是连续信号，但是当它们完全起作用时，它们确实提供了良好的控制，而不需要在锅炉鼓上有技术人员。

来自电导探针的信号通常在控制面板处接收。反过来，这将照亮一系列提供远程水平指示的灯。控制面板还可提供高/低继电器以及4-20 mA输出。

维护是这些仪器最常遇到的问题。电导探针由于与工艺用水接触而受到腐蚀，需要定期更换。考虑到大多数系统每列有10-20个探针，这不是一个廉价的过程。

磁性液位计

可能是蒸汽回路中大多数传统液位计的最常见替代品，包括锅炉汽包水位。然而，即使磁力计具有局部视觉水平指示，它也不被认为是直接读数水平仪。水平指示取决于内部浮子和外部指示装置之间的磁吸引力。

正确维护时，磁性液位计可以非常可靠。但是，如果不遵循良好的维护，就会出现问题。浮子和指示器之间的磁耦合强度与它们之间的距离成正比。因此，浮子的外表面和腔室的内表面之间的径向间隙非常小。如果任何污垢或碎屑进入腔室，并且在这两个部件之间，它可能会卡住。这将防止浮子跟随液位的变化。

与其他置换器类型的装置一样，磁力计设计用于特定的液体密度。如果浮子制造不当或工艺密度发生变化，则会发生测量误差。

差压变送器

顾名思义，该液位指示装置测量容器或腔室中的蒸汽空间与液体高度之间的压力差。最终结果是施加在下部传感器上的压力与容器中的压力无关。通过将该值与已知密度进行比较，可以确定液体高度。

最初，这是一种准确可靠的水平指示方法。然而，随着时间的推移，隔膜或传感部件会因金属疲劳而受到压力变化的影响。这导致漂移和重新校准的需要。

与置换器型仪器一样，差压变送器基于特定的液体密度进行校准。如果密度发生变化，则会出现水平指示中的测量误差。

导波雷达

的强度基于它没有移动部件，具有数字电子设备和线性输出的事实。这意味着除非设备受到物理损坏，否则不会出现漂移或校准问题。导波雷达也不受压力或温度变化的影响。它只是对产生的脉冲接触液体表面时发生的阻抗变化作出反应。通过采用动态形式的气相补偿，高压/温度极性介质可能对单元的信号传播产生的任何影响也基本消除。

结论

您的蒸汽回路中连续液位测量的技术选择并不缺乏。所有产品都具有独特的功能和优点，需要在选择之前仔细评估。

在雷达物位计的情况下，首要考虑因素之一是工作温度和压力。对于<400°F的饱和蒸汽条件，标准雷达物位计将提供优质的服务。在> 400°F的饱和蒸汽条件下，由于蒸汽蒸汽的影响而对测量误差的影响将更加明显。这时需要采用动态气相补偿以获得最大精度，同时采用更具温度弹性的设计来保护电子设备。

我们威尼斯8040的雷达物位计应用灵活性，对工艺条件影响的抵抗力，低维护要求和动态补偿都使得导波雷达成为蒸汽回路应用的准确可靠选择。这些功能还可降低拥有成本并加强对系统操作的控制。

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