導波雷達液位計替代磁翻板液位計可行性方案介紹

  丹佛斯壓縮機實驗室現有液擊實驗設備選用了磁翻板液位計。安裝有磁鋼的浮球在連通器導向管內隨容器內介質液面升降而上下運動, 磁鋼磁性透過導向管傳遞給外裝的翻柱顯示器, 推動翻柱旋轉180°并改變顏色, 兩色交界處即是液面的高度。但受測量原理制約, 磁翻板液位計可以頂裝也可以側向安裝, 但測量精度一般;另外由于運動部件過多, 在長期使用過程中, 出現過浮球與磁翻柱卡死現象，需要定期對于主導管內的污垢進行清洗。
 
導波雷達液位計基于電磁波的時域反射 (TDR) 原理, 與現有實驗臺安裝的磁翻板液位計相比, 具有不受介質密度影響、測量精度高等諸多優點。且安裝方便，維護量低。

總的說來，每一類的液位儀表都有著適應的測量工況條件，只不過在本文所述的測量條件下，采用導波雷達液位計會有更多好使用效果。磁翻板液位計屬于傳統型的液位計，但是仍然在液位測量領域占有著較大的市場份額，產品特點也很明顯。導波雷達液位計則屬于技術含量更多的產品，在許多要求特殊的測量條件下，特別是在較高的液位計測量要求下，有著更具優勢的表現能力。
 
  本文結合導波雷達液位計在壓縮機實驗室新建液擊實驗臺項目中的應用, 分析闡述了導波雷達液位計的工作原理、性能特點、使用注意問題以及在新建實驗臺制冷劑液位測量的應用。說明了采用導波雷達液位計替代磁翻板液位計的方案的優越性。

 

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1、方案的選擇： 
  新建液擊實驗臺項目液位變送器終方案選用導波雷達液位計。對于選用此方案的分析闡述如下。
 
1.1、導波雷達液位計的基本原理：
 
  導波雷達液位計的工作原理是基于電磁波的時域反射原理 (TDR) , 電磁波發生器產生一個沿探測桿向下傳送的電磁脈沖波[1]。當電磁波遇到被測介質表面時, 部分脈沖被反射形成回波并沿相反路徑返回到脈沖發射裝置, 用超高速計時電路 (電子表頭) 精確地測量出脈沖波的傳導時間, 而發射裝置與被測介質表面的距離同傳導時間成正比, 經計算就可得到液位高度[2]。
 
1.2、導波雷達液位計的優點：
 
  導波雷達液位計優點主要有:
 
(1) 安裝方式多樣, 可以使用螺紋和法蘭連接;可以選擇頂裝或者側裝。
 
(2) 沒有會被磨損和破壞的機械運動部件。
 
(3) 介電常數、密度、壓力、溫度的變化對測量無影響[3]。
 
(4) 信號波在導體中傳輸, 液面波動對測量精度的影響小。
 
1.3、導波雷達液位計的使用情況：
 
  本文選用的導波雷達液位計, 該產品在壓縮機實驗室熱氣旁通性能實驗臺中廣泛使用, 用來測量油分離器中的油位高度。有10年以上的成功使用案例且運行穩定。
 
1.4、導波雷達液位計與磁翻板式液位計的方案比較：
 
1.4.1、測量精度：
 
  渦旋壓縮機液擊測試規范要求, 液位測量精度在±0.5L之間。但是在某型號大冷噸液擊實驗設備設計中, 受實驗間布局和測試單元空間限制, 液罐筒體的外徑型號不得小于323mm, 如果選用磁翻板液位計, 在測量精度為±10mm的前提下, 計算液位測量精度僅為±0.75L, 無法達到測試規范要求;而導波雷達液位計在直接測量模式下10米內的測量精度為±3mm, 計算測量精度為±0.23L, 完全滿足測試要求。
 
1.4.2、介質密度：
 
  磁翻板液位計浮子材料選型與介質密度相關, 如表1所示:
 
  而在渦旋壓縮機液擊實驗過程中, 液罐內介質的密度是隨著實驗工質和工況冷凝溫度的變化而變化的。特別是近些年來, 制冷工質逐漸向低變暖潛能值切換, 新型制冷劑不斷涌現, 考慮到未來可能的實驗工況變化, 液罐內介質密度變化范圍將在0.6g/cm3～1.3g/cm3之間, 所以不可能在表中選出合適的浮子覆蓋所有實驗工況測量。而導波雷達液位計測量與介質密度無關, 十分適合介質密度動態變化的液位測量。
 
  上述比較表明, 導波雷達液位計測量精度高, 安裝靈活緊湊, 節省大量空間。結合上述導波雷達液位計的優點, 證明選用導波雷達液位變送器的測量方案符合設計要求, 優于磁翻板液位變送器的測量方案, 且后續儀表安裝維護相對簡便。
 

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2、導波雷達液位計探頭的選型：
 
  由于此類液位計是靠探頭發射電磁波, 因此探頭的選擇也可以說是導波雷達液位計選型的重要部分, 其對液位計的基本性能有重要的影響[4]。目前探頭的類型主要有三種:同軸桿式探頭、雙桿式探頭和單桿式探頭。
 
表1 磁翻板液位計浮子材料選型表
 
表1 科隆磁翻板液位計浮子材料選型表
 
  結合本項目應用特點, 選擇同軸式探頭原因如下。
 
2.1、介質介電常數?。?br />  
  制冷劑工質普遍介電常數很低, 而同軸桿式探頭配置的效率和敏感度, 使其在介電常數極低 (Er>1.4) 的應用場合也會產生較強的信號強度[5], 而雙桿式探頭所能測量的介質介電常數需>1.9。因此, 選擇同軸式探頭的導波雷達變送器將能大程度的滿足介電常數較小的液位測量要求。
 
2.2、儲液罐筒體半徑較?。?br />  
  雙桿探頭和單桿探頭有電磁脈沖作用區域小半徑Rmin要求, 特別是單桿探頭要求電磁脈沖作用區域小半徑Rmin為300mm, 本次設計液擊實驗臺選用液罐筒體尺寸為Φ323*9.95 mm, 已經十分接近小半徑的要求, 將無法保證電磁脈沖不受筒壁的干擾。而同軸桿式探頭無小作用區域半徑要求, 為小尺寸筒體的設計安裝提供了可能性。
 

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3、在新建液擊實驗臺項目中的安裝使用：
 
  本項目只測量過冷液態制冷劑液位, 因此選用了OPTIFLEX 1300 C-L系列, 因其采用了更高的動態信號和更窄的脈沖, 所以和傳統的導波雷達液位計相比, 該系列儀表的精度和重復性更佳。但在安裝使用中應注意以下幾點:
 
3.1、罐底盲區：
 
由于液態制冷劑介電常數很小, 選用導波雷達液位計, 將在探頭底部產生大約50mm測量死區, 如果同時考慮安裝時底部間隙產生的死區, 累加測量盲區要在100 mm左右。在本文設計中, 將探頭埋入罐底50 mm, 根本上解決了由于死區造成的無法從零位開始測量的問題。
 
3.2、液位計安全報警設置：
 
  在本文應用中, 根據工藝要求, 液罐會有連續的注液和排空過程, 但是在默認儀表報警項目中, 滿罐和空罐報警是生效的, 這樣在液罐排空后, 儀表即處于報警狀態, 并將模擬輸出強行拉低至3.5 mA, 得到復位后才能從新開始正常工作。因此, 根據實際工藝需求, 選擇合理的報警設置, 對安全生產意義重大。
 

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4、結語：
 
  經過渦旋壓縮機液擊實驗的反復驗證后, 證明導波雷達液位變送器在制冷劑液罐液位測量中代替磁翻板變送器的選型方案是正確可行的, 不但降低了成本, 在液位測量精度和運行維護等方面也均得到了優化, 可以在設備批量生產中廣泛使用。
 

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