摘要:阐述雷达物位计的干扰应对措施,介绍电子技术在屏蔽虚假回波中的应用。详述雷达回波和干扰抑制曲线在分析解决测量故障、优化回波质量中的应用。实践证明该方法切实有效, 可以有效提高测量质量。

雷达( 微波) 物位计基于有源雷达的回波测 距原理,可实现安全可靠的非接触测量,不受物料 密度变化影响,有独特优势[1 ] ,随着技术的成熟, 在工业过程控制领域获得了广泛的应用,其应用 故障主要为选型与安装不当,选型不当将无法正 常使用,安装不当会产生严重的干扰回波,影响测 量质量甚至导致测量错误。

1 雷达物位计干扰信号处理措施

安装雷达物位计时应尽量避免干扰,无法避 免的,可用折射板将过强的虚假反射信号进行折 射,减小虚假回波的能量密度,使传感器较容易地 将虚假信号滤出。 雷达波沿程可能会遇到干扰源、物位界面等 对象,多路反射会被认定为对象在较远位置。主 流雷达回波处理都有独到之处,通常可查看回波 曲线,回波曲线是对容器内状况的扫描映射反演 绘图,即微波在传输沿程反射回波的能量图谱。 盲区附近的波形、真实回波和虚假回波,以及杂散 噪声信号的分布、宽度、强度及信噪比等有关测量 性能的因素,都可以通过回波曲线的形式全面反 映,使用户一目了然。

虚假回波的处理基于回波曲线,一般要预先 记录空罐的回波,如 KROHNE 的空罐频谱检测记 录功能。常见虚假回波处理方法有屏蔽干扰源、 虚假干扰回波注册消除、多次回波抑制及设置静 态/动态回波增幅置信阈值门限等方法,动态干扰 的处理更困难些.
简单的屏蔽干扰会遮蔽干扰点附近的所有回 波信号,带来测量盲区; 设置增幅阈值,物位在穿 越干扰区时,界面回波与干扰信号叠加,使回波的 波峰位置( 能量最强点) 发生偏移,误差由此而 生[2 ] ; 多次回波抑制可消除因多路反射造成的物 位测量偏低的问题; 利用圆极化等技术,可以分离 界面回波与干扰回波,实现无效干扰回波注册,干 扰回波注册配合抑制会使液位跟踪更可靠,可以 很大程度上提高测量质量 。

2 复杂环境安装导致错误测量

某厂真空解析塔接收罐,材料 SS 316L、直径 1. 0m、通高 2. 8m、操作压力 2. 66kPa( A) 、操作温 度 70℃,物 料 为 粗 酐 与 少 量 轻 组 分 ( 主 要 为 DBP) ,罐内结构复杂,有隔板( 隔板高度 1. 4m) , 距罐壁 200mm,隔板内侧有两进料管( 内径分别 为 40、80mm) 从罐顶延伸至距罐底 150mm 处,液 位计预留口在隔板外侧,近外侧罐壁,罐拱顶凹 底,侧开 600mm 人孔。
装置工艺引进国外技术,外方原设计液位测 量采用放射性液位计,考虑到安装和维护成本,改 用了稳液井安装的脉冲雷达 Micropilot M FMR240-45E2APJAC4D,两线制、精度 ± 3mm、圆 锥天线尺寸 100mm( 圆锥外径 95mm,标注尺寸大 于物理尺寸) ,稳液井内径 98. 3mm。

装置投用初期,雷达回波质量差,液位测量不 准确。判断原因为稳液井加工不合格,且容易挂 料。高频雷达能量较为集中,稳液井聚波效应弱于低频,且制作要求高。此台雷达波束角 8°,测 量长度 3m 时波束宽度 0. 42m,于是决定取消稳 液井,拆除稳液井检查发现开孔毛刺突出。

移除稳液井后,液位测量效果大为改善,但仍 存在问题,现象是液位测不到零,低液位时采出泵 流量与压力已无法维持,机泵密封磨损,液位仍然 指示在 800mm 左右,偶尔会跳变为零,HART375 查看回波质量为 19dB,回波强,但通过现场操作 显示模块 VU331 查看回波曲线异常。

3 雷达物位计干扰回波抑制曲线的应用

由于雷达回波 处理采用信号包络估值方法,故回波曲线称为包 络线,不同于西门子的虚假回波抑制包络线[4 ] ( 即 TVT,抑制虚假回波和动态阈值曲线) 。图 1 中的 - 0. 01、3. 16 分别代表了此次绘制回波曲线 的起点与终点( 以仪表测量基准点为参考零点) 。 默认回波最强点为物位,图中的 2. 241m 为所评 定物位与参考点的距离,图中标记出了空标( 即 零点) 、满标( 即量程) 和所评定界面的位置。图 中的 36dB 为回波质量,回波质量即为信噪比,反 映了物位计应用效果。脉冲雷达回波能量较低, 需要动态处理更大的强度差别的回波,回波一般 用分贝数表征,导波雷达与连续调频波雷达一般 用回波能量毫伏值表示。图 1 中除最左端由仪表 自身发射造成的半个波峰和一料面反射波峰外, 没有多路反射波,这得益于其“首次回波因子” ( First Echo Factor,FEF) 功能[5 ] 。

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图2显示了两条曲线,回波曲线与抑制曲线,只有幅度越过抑制曲线的回波才能被评定。Mi-cropilot MFMR2XX能手动抑制比真实物位高(更接近顶部测量参考点)的干扰回波,并要求抑制范围最远至距真实物位0.5m处,否则抑制干扰的同时也将削弱物位信号。图2中的虚假回波强度小于物位回波,即便不做抑制,物位也能正确评定,但仍建议做电子抑制,以提高回波质量。

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接收罐物料完全排空时,DCS 监控液位稳定 在 830mm,偶尔跳到零,VU331 现场操作模块查 看回波曲线如图 3 所示,可以看出有虚假回波 P1、P2、P3,P1 处干扰源大,但干扰强度稍弱于 P2,于是距离雷达 1. 777m 的 P2 被选定。接收罐 空标设定为 2. 685m,满标设定为 2. 400m,由于表 内部设置了偏移量,所以液位示值与距离之和不 等于空标。( 注解:  Micropilot M FMR2XX 现场操作显示模块 VU331 绘制显示的回波曲线 没有对横、纵坐标进行标注,但专用 PC 机调试软 件“ToF Tool”显示的曲线更为精细,明确地把纵 坐标标注为 - 120 ~ 0dB、横坐标标注为从零到略 远于空标的距离,笔者没有此软件以及相应的通 信接口硬件) 。

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Micropilot M FMR2XX 可以通过组功能“check distance”( 051) 触发抑制,选项有: “dis-tance = ok / dist. too small / manual”,当没有干扰或者干扰回波弱于物位回波时,回波曲线与图 1 或图 2 类似,可以选择“distance = ok”,此时测量值不改变,但回波质量提升。

接收罐抑制时首先选择了“dist. too small”,抑制范围终止在距空标 0. 5m( 即距离测量参考点dist. = 2. 185m) 处,液位仍然测不到零,于是选择了“manual”,最终,输入抑制间距 2. 6m 后,液位方测到零。回波曲线和抑制曲线如图 4 所示。

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液位投用后,液位趋势正确,对照外贴高低超 声波液位开关,液位测量值为 220mm 和 1 100mm 时开关动作,与液位开关的安装高度相符,做抑制 曲线很大程度上改善了测量。抑制距离接近于空 标,但仍然能够正确测量的原因是液面反射率较 高。同时,液位出现了最高只能测到 1 927mm 的 问题———大约在虚假回波 P1 位置,原因是更高 液位的回波不能突破抑制曲线,注意图 4 中抑制 曲线与回波曲线的形状并不完全相同,即此款雷 达的增幅阈值并不恒定。

除了预设定抑制曲线外,Micropilot M FMR2XX 还有与抑制曲线作用类似的浮动均线, 即对回波幅值取平均的一条曲线,随容器内反射 特性( 包络线) 的变化而改变,可随容器内的动态干 扰( 如挂料和湍动的液面) 自整定其波形,用以抑制 小的动态干扰,曲线以下的信号被忽略,越过线的最 强回波将被评定,实践中发现其作用不明显。

4 结束语       

雷达物位计的可靠应用有赖于正确的选型与 安装,安装环境不理想时,虚假电子回波抑制可以 屏蔽干扰信号,大幅提高测量质量,给工艺提供可 靠参考。

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