利用导波雷达检测技术获得最佳检测结果

作者:Phil Lever 文章来源:艾默生过程控制有限公司 发布时间:2014-09-03

导波雷达检测技术使得高要求的流程工业物位的检测和监控发生了根本性的改变。仪器的安装成为影响检测结果的关键因素。

在安装导波雷达物位计时,物位计安装在料仓容器上部或者容器的检测腔内;发射器发出的脉冲信号从上向下贯穿整个料仓、直达料仓容器的底部。含有少量能量的脉冲信号被发射器发射出去,直到它探测到料仓容器内充填的松散物料的表面为止;检测信号转换器接收反射回来的回波信号。导波雷达检测是通过记录并换算从发射器发射出去、在接触到被测物质表面后反射回来的脉冲波束运行时间得到容器中料位的高度。从收到反射回来的回波信号时起,导波雷达检测系统中的微处理器就开始按照时差法计算雷达波发射器到松散物料表面之间的间距。

导波雷达物位计发射出来的脉冲信号是非常准确可靠的波束。它与被测介质的密度无关,也不受紊流或振动的影响。由于这一检测系统中没有容易卡住的或者能够脱落的活动元器件,因此它的安装费用很低,可以避免危险状态的检测数据错误。

导波雷达检测技术还适合于在其他检测领域中使用;但它也和其他的检测技术一样需要正确安装。因为机械安装、被测介质和机电干扰的影响都会给检测带来干扰。

为了简化导波雷达物位计的安装过程,可以对导波雷达物位计在出厂前进行配置,设置好料仓高度和被测松散物料产品特性等参数。但有些应用则可能会遇到一些问题,此时可以使用回波曲线来解决;回波曲线是解决困难检测任务时一件有力的工具。Emerson公司研发生产的GWR导波雷达物位计具有增强型EDDL功能,既可现场解算雷达回波曲线,也可在检测控制室里处理回波曲线的数据。

回波曲线的作用

回波曲线表示的是导波雷达波束看到了什么。回波曲线中的每一个信号峰值都是反射的脉冲信号;例如被测物体表面或者流程介质中分界层反射回来的雷达信号。在看到回波曲线的照片或者影像时,可以把它们与导波雷达发射器的配置、型号结合起来考虑;这样就可以得出可靠的充填量检测数据。同时,分析回波曲线还可以了解检测信号转换器功能和环境变化的可能性。

与导波雷达物位计配套的软件具有察看和记录回波曲线以及设置雷达频率阀值的功能。例如,Emerson公司研发生产的Rosemount 3300/3500和新型Wireless无线通信的3308型导波雷达物位计就可以设置不同的雷达频率,抑制或者减少检测范围以外可能出现的干扰信号的影响。

导波雷达物位计可以使用不同的雷达频率幅度阀值过滤掉干扰性的杂波、接收不同的反射波。检测信号转换器使用了特殊的算法语言来确定识别回波的类型。有些检测转换器还具有“检测和学习”功能,能够创建过滤掉所有干扰回波的幅度阀值曲线(ATC曲线)。也可以人工手动创建ATC曲线,例如精确调整时过滤偶然性峰值的幅度峰值曲线。

弱表面反射

有些使用导波雷达物位计的应用中,例如当被检测的面积比较大或者被测产品的雷达波反射能力很小时(很小的介电常数时),被测产品表面的雷达波反射很小。为了解决这一问题,导波雷达物位计的生产厂家对控制电气的性能进行了改进,使其能够在雷达波反射很小的情况下也能可靠的进行检测。

例如,Emerson公司的Rosemount 5300检测数据转换器的“发射末端投射”技术把弱表面反射波的识别作为重点;就像料仓完全清空时远距离回波曲线图中所示的情况那样。这里需要解决的问题是雷达检测信号在被测介质中的速度远远低于在空气中的速度。

被测介质的表面可以通过雷达波发射器在整个导波雷达检测系统中的真实位置与被测介质表面产生雷达反射回波的位置比较来测定。两者的位置差异与被测产品的性质有着很大的关系,其中雷达检测信号返回到接收器的距离与被测产品的介电常数有关。

机械性干扰信号的来源

导波雷达信号发射器可以用法兰止口、套管和合适的连接法兰安装固定。但法兰止口、套管都会产生干扰信号,影响监测结果。大多数的导波雷达物位计生产厂家都提供了一份表格、给出了建议采用的法兰止口和套管尺寸。过长、过细的法兰止口或套管,尺寸过大或者过小的法兰止口或套管以及当安装的脉冲信号发射器与法兰止口、套管相互接触时都会产生干扰性的杂波。其他的干扰源还有相邻的金属物体、弯曲了的雷达信号发射器或者定心盘等。

过长、过细的法兰止口或套管会改变法兰止口或套管和空旷料仓之间的过渡区的阻抗、产生很强的干扰。当法兰止口或套管的长度小于380mm时,偶尔会在发射脉冲信号时也产生噪声;因此Emerson公司采用了“近距离修整”(TNZ)技术来抑制这种噪声干扰。但这种措施的使用会因法兰止口或套管的干扰而带来一定的能量损耗。近距离的修整技术是一种类似防火墙的功能:对脉冲信号发射器上端附近处的性能进行优化,减少法兰止口或套管安装不佳的影响。

若法兰止口或者套管的直径过大(>25.4cm)时也可以产生干扰信号:在法兰止口状的基座或套管内会产生对整个料位检测范围都有干扰影响的谐振频率。在这种情况下可以使用一个内套管来抑制或者减少干扰信号。

在使用GWR导波雷达检测技术时不建议使用带有类似瓶颈结构的安装法兰;因为这种结构会影响导波雷达物位计的正常工作,导致充填量检测数据出现错误。雷达波发射器附近的金属物体也常常会带来一些问题;例如:脱盐容器中使用的金属格栅。在这种应用情况下,应重新确定导波雷达发射器的安装位置,或者必需安装解涌管。

狭小的空腔同样也可以影响导波雷达物位计的正常工作;尤其是当雷达信号发射器与这一空腔的一侧相互接触时。克服这种结构形式所带来干扰的方法是在雷达发射器上安装辅助的配重物;或者是把雷达信号发射器安装在狭小空腔的底部、保证发射器的安装牢固。同时可以在整个有线探测器的长度范围内用定心盘保证雷达信号发射器的钢缆不与涌流管相互接触。但每一个定心盘都会产生一个很小的、对检测结果有干扰的雷达回波。作为替代解决方案,可以使用其他类型的信号发射器来代替这种有线发射器,例如同轴电缆式的雷达信号发射器。法兰直径尺寸较大时,雷达信号发射器的安装灵活性也很大。

电气干扰源

在充填量检测中可能会出现不同方式的短时能量。这些短时间出现的能量可能是雷电带来的能量,附近设备射频信号带来的短时间能量或者是静电、塑料粒料等固体颗粒物检测时带来的能量。

导波雷达物位计的生产厂家在其检测电路的设计中就考虑了抗过电压冲击的能力。当这些短时能量带来的电压太高时,例如雷电带来的能量,它所带有的放电能够对GWR导波雷达物位计带来严重的损害。为了实现最大程度的晶体管击穿保护应在有雷电击穿危险的场合中使用晶体管雷电保护模块。Emerson公司研发生产的晶体管雷电保护模块为晶体管提供了最大程度的安全保护,通过良好的接地使电子元器件能够远离过高的电压。利用安装法兰和接地插针之间的导电性连接可以为集成电路之外的晶体管提供良好的接地。

非金属料仓与附近设备带来的电气干扰、故障,例如由驱动装置速度变化带来的电气化干扰是一种特殊的干扰,因为这种干扰信号有可能被雷达信号接收器接收。因此可以利用滤波器来过滤由旋转设备、电动机控制系统和其他干扰源产生的电气化干扰信号。在金属料仓中就不会出现这种干扰;因为金属料仓的仓壁对雷达信号发射器起到了很好的噪声隔离作用。

接地的重要性

接地不良会导致检测信号受到干扰,使信号转换器很难正确地识别料位信号。当干扰信号的强度达到一定水平时甚至还会导致整个仪器无法工作。

因此,金属料仓中在雷达信号发射器与料仓之间建立起“金属-金属”的连接是一件非常重要的事情。在这种金属与金属之间的连接中,接地电缆的规格尺寸有着非常重要的意义和作用。直径较粗、长度较短的电缆提供的接地保护效果最好。使用时应按照说明书中的规定和生产厂家的建议来安装接地。被测容器内有可能产生内部高压电时,例如静电时,应在料仓容器内部有接地电缆,把安装导波雷达物位计的连接法兰与地线连接起来。

非金属容器使用导波雷达物位计时应注意一些特殊的问题;因为常常有较高的电压经雷达波发射器加入到信号转换器中。因此在非金属容器中使用外部接地是非常重要的。另外,非金属容器中存储物料有效的接地也是非常重要的。若容器是从下方底部充填的,则它的管道能够起到很好的接地效果。若容器是从上方充填的,则充填到容器中的物质就有可能“接地不良”,这样就要求整个容器有良好的接地线。

小结

为了保证有最佳的物位检测结果,为了保证导波雷达物位计能够在日常工作中不受损伤,正确的安装是不可忽视的。同时正确的处理可能产生干扰信号的措施也是一个非常重要的因素。而这一切的前提是按照生产厂家提出的建议正确地安装导波雷达物位计,保证其很高的检测性能、最低的安装费用和很高的工作可靠性。

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