Siemens雷达液位计在复杂工况中的测量试验

序言
------化工行业对仪表的需求量非常大，但也是对仪表要求最为苛刻的行业之一。由于在化工中往往会存在高温、高压/真空、腐蚀性强、粘度大、过程工艺复杂等要求，因此在很多化工领域中的依然存在很多无法解决的难题。本文介绍的就是Siemens的雷达液位计为解决一家化工厂的液位测量难题而作的一次成功的试验，证明了其出类拔萃的性能完全可以应用在化工领域中。

一、 背景

------Sitrans LR400作为Siemens雷达物位仪表中的一款高端产品，其优异的性能在水泥、电力、钢铁等行业中被广泛应用并被证实为测量固体介质的最佳选择。

------但是，由于LR400在固体测量领域的突出表现，使其很少应用在液体测量领域，尤其是化工行业。这里介绍的是，LR400在化工行业中的一次应用实验中的令人吃惊的成功表现。

二、 工况介绍

------客户为一家南方的醋酸纤维公司，测量的介质是含有醋酸、水、各种矿碴等混合介质，主要特点是粘度极大，接近于沥青；有大量蒸汽；压力不到1Bar。以前该客户一直使用双法兰差压变送器来测量罐内的液位，但是由于测量介质粘度很大，因此这种测量方式的维护量很大，而且仪表的使用寿命很短。因此长期以来，该客户试用了很多物位测量仪表，都无法很好地解决这一难题。

------基于LR400雷达液位计在沥青的液位测量应用中的很多成功的案例的原因，我们向客户推荐了Sitrans LR400来解决这一难题。但是，由于其复杂的罐内结构和测量介质的物理特性，无法采用安装导波管等措施来改善测量效果。

------对于客户提供的介质情况看，介质的特性（介电常数）没有很大的问题。由于雷达液位计是利用微波反射的测量原理，因此蒸汽对于雷达的测量没有大的影响。在这一工况中，最大的问题是其复杂的罐内结构（见下图），如何避开罐内复杂的加热盘管来得到正确的液位测量值是这次试验的主要目的。





------该过程罐高约8m，直径约3m左右，内部有很多复杂的加热盘管结构。罐的底部和中间位置（离罐顶约4m）都有三层呈同心圆形状排列的加热盘管，最大的圆形加热管直径约100cm，圆形加热管之间的间距约20cm，上下圆形加热盘管之间还有格栅连接；而且在离罐顶约1~1.5m的中间位置处，有两根上下重叠的横管。


三、 实验过程

------客户在之前的实验中发现，LR400的测量停留在中间位置（离罐顶约4m）而无法测量的下面。

------对于这样复杂的结构的过程罐，即使是最有经验的工程师都不会有保证成功的信心。所以，这次实验，无论是客户还是作为Siemens来说，都没有一定成功的把握。

------分析了客户的实际情况后，发现安装位置的选择非常重要，最后选择的位置是在近圆心的位置，离圆心58~60cm的人孔，之所以不选择中心位置，主要是为了避开中间的加热横管形成的固定干扰影响。

------在人孔上临时安装了LR400后，上电，在稍稍旋转了一个角度后，令人惊奇的发现，LR400能测量到自雷达液位计以下约6.8m的目标，用投尺从安装位置测量罐的高度，测得7.7m，也就是说LR400已经"突破"两根横管和第一层的圆形加热盘管的影响，测量到了最底部的盘管。对于这个的结果，客户和作为SIEMENS仪表工程师的我，都感到非常地"意外"。



------在稍后的注水过程中，LR400在全过程中的表现依然稳定且准确。我用PDM全程记录了LR400整个实验过程中的回波图形发现，水位的回波信号非常强，能够从回波图形中看到加热盘管的干扰存在，但基本上对水位的回波信号的影响不大。






PDM所作的LR400回波图形，红色为TVT，X标志为水位的回波信号，前面的峰状回波为干扰
------整个实验过后，客户非常满意LR400的表现，也对LR400产生了很大的兴趣。

四、 总结分析

------虽然，由于种种原因无法进一步测试LR400的实际使用效果。但是，LR400在如此复杂的应用，能有如此表现，已经是非常令人吃惊的了。

------之所以LR400能在这样复杂的工况中表现出高人一等的性能，这是因为：

------1、 LR400的发射角很小，这次使用中采用的的型号，只有9度的发射角，可以最大程度的避开固定目标的干扰。而一般型号的雷达发射角在13~20度左右。

------2、 LR400是一种采用高频雷达波的FMCW（连续调频）雷达仪表。其发射频率为24GHz，根据波的特性：速度=波长*频率的公式，我们不难推断出LR400的波长相对于一般的低频雷达（5~6GHz）来说，其波长要小的多。

------那么，为什么波长小，就能最大程度上的减小固定目标的干扰呢？

------打个比方，比如一般雷达波是篮球，而LR400的雷达波就好比是乒乓球。如果在一个固定干扰很多的地方，抛出篮球后，碰到干扰物被反弹回来的概率要远远大于乒乓球的概率。这也是为什么LR400能过克服粉尘等影响，准确测量固体粉料的原因之一。

------3、 加热盘管的被"照射"面都是圆形的，当LR400的微型雷达波遇到圆形的反射物时，将会被很好的"发散"掉，而不是形成很完整的很强烈的回波。

------4、 选择了合适安装位置，尽最大可能避开了固定目标的干扰。

------5、 选择了一定的角度，因为LR400是一种频率调制的雷达物位表，其发射出来的雷达波是呈花瓣状发射，其能量分布是呈椭圆形的，而非圆形的，因此在经过旋转了相应的角度后使其椭圆形长轴上的能量尽可能的避开了固定干扰的的影响。

------基于这次成功而又意外的实验，我们有足够的理由相信：如果能够合理的选择应用LR400，它一定能在化工领域也能有更加出色的表现。