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雷达液位计测量时的精度误差怎么样进行调整和校验

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一、背景案例

2011年,山东长兴油库一座5万立方浮顶罐安装了新型雷达液位计,经过安装技术人员的调试,将仪表的测量误差范围控制在规定的±3mm内,投入使用之后,设备一直处于稳定的工作状态,测量的精准度基本都在规定的范围之内。到了2013年底至2014年3月份,由于迎接相关部门的安全检查,同时对于内部的不良设备进行淘汰升级,油库进行了安全整治工程,更换了新油泵。到2014年4月中旬、新泵去投入运行之后,发现雷达液位计的测量结果与人工检尺的产生了较大的偏差,大竟然达到±60mm的误差,远远超出规定的误差范围,对于油库每天算量和每月末盘库的准确性造成严重影响。产生这种测量误差的原因是什么,在使用过程中如何及时发现仪表的测量问题及如何有效地解决问题,就是今天我们要探讨的内容。 

二、雷达液位计测量原理及特点

要解决问题,先需要我们对雷达液位计的基本工作原理和工作参数的条件作一个了解。雷达液位计又称微波液位计(Radar),是取英文词组“RAdio Detection And Ranging”的词头字母而来的缩写词。微波物位计朝一个目标发射电磁波,电磁波井发射后返回发射源。安装在发射源处的接收器捕获到反射波,并把它与发射波作比较,确定目标的存在和它到发射源的距离。

目前市场常见的微波物位计采用的工作原理主要有FMCW(连续调频)和脉冲两种。

FMCW雷达液位计采用线性的调制的高频信号,一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法,由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描,同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。

脉冲雷达液位计,与超声波技术相似,使用时差原理计算到介质表面的距离。 设备传输固定频率的脉冲,然后接收并建立回波图形。信号的传播时间直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同,雷达使用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来 “扫描”容器并得到完整的回波图。

雷达液位计的典型波段为 5.8 GHz、10GHz 、24 GHz。通常我们称5.8GHz(或6.3GHz)的频率为C波段微波;10GHz的频率为X波段微波;24GHz(或26GHz)的频率为K波段微波。

雷达液位计的增益系数和波束角的大小和微波的波长以及雷达液位计的喇叭口尺寸大小有关系。因此,越来越多的雷达液位计采用高频率微波技术来改善雷达液位计的性能。同时,采用高频技术后,可以在提高雷达性能的同时,大大缩小天线的尺寸,使安装更加方便。

三、常见的仪表信号干扰源

电磁兼容性已成为工业过程测量和控制仪表的一项重要性能指标。由于测量和控制仪表总是和各类产生电磁干扰的设备工作在一起,因此不可避免地受电磁环境的影响。常见的干扰源主要分外部干扰和内部干扰两大类。

3.1外部干扰

1)天体和天电的干扰

天体干扰是由太阳或其他恒星辐射电磁波所产生的干扰。天电干扰是由雷电、大气的电离作用、火山爆发及地震等自然现象所产生的电磁波和空间电位变化所引起的干扰。

2)机械的干扰

机械的干扰是指由于机械的振动或冲击,使控制仪表中的电气元件发生振动、变形,使连接线发生位移,使指针发生抖动、仪表接头松动等。对于机械类的干扰主要是采取减振措施来解决,例如采用减振弹簧、减振软垫、隔板等。

3)热的干扰

火电厂热力设备在工作时产生的热量所引起的温度波动和环境温度的变化,都会引起控制仪表的电路元器件参数发生变化,从而影响控制仪表的正常工作。

4)光的干扰

在控制仪表中广泛使用着各种半导体元件,这些半导体元件在光的作用下会改变其导电性能,从而影响控制仪表的正常工作。

5)湿度干扰

湿度过高会引起绝缘体的绝缘电阻下降,漏电流增加;电介质的介电系数增加,电容量增加;吸潮后骨架膨胀使线圈阻值增加,电感器变化;应变片黏贴后,胶质变软,精度下降等。

6)化学的干扰

酸、碱、盐等化学物品以及其他腐蚀性气体,除了具有化学腐蚀性作用将会损坏仪器设备和元器件外,又能与金属导体产生化学电动势,从而影响控制仪表的正常工作。

7)电和磁的干扰

3.2内部干扰

干扰有时也来自仪表内部,如电源变压器、导线、印刷电路、电子元件之间的电感、电容或元器件内部的噪声干扰。

4、误差原因分析及确定

4.1基础数据采集

2011年3月3日14点整开始,采用人工检尺的办法测出罐尺,再与SCADA系统上液位计所采集到的数据进行比较,比较得出雷达液位计存在±60mm的误差,对其进行探讨。

图1 3月3日14点整测量6#罐液位后10秒雷达液位计示数。

4.2误差具体原因推测

按照人员、机械设备、环境三个方面分析产生误差的原因如下

图2 原因分析图

4.3误差具体原因确定

针对每个可能原因,进行了讨论分析,终确定了主要原因是:泵区电磁场干扰雷达液位计的信号传输造成了液位计误差过大。具体讨论结果祥见表1

表1 要因确认表

五、消除误差的方案优选及实施

5.1针对上述确定的要因和干扰源的主要特点,结合现场实际情况制定出如下几种方案:

方案一、机柜端雷达液位信号线加装信号过滤器;

优点:成本低、施工简单、工期短,见效快。

缺点:需要专业技术人员选择配套的信号过滤器。

方案二:泵区电缆沟内敷设一圈铁丝网缠绕信号电缆;

优点:成本低,施工简单、不需要专业的技术人员辅助。

缺点:工期长,见效慢。

方案三、雷达液位计的信号线改路由;

优点:见效快

缺点:成本高、施工难度大。

六、方案实施

按照制定好的对策,逐步逐条实施。

(1)据雷达液位计信号类型选择相应的信号过滤器型号。

(2)订购挑选的信号过滤器。

(3)按照过滤器说明书安装信号过滤器。

七、实际效果检查

信号过滤器安装好了以后,我们对雷达液位计进行了检测,采用雷达液位计示数和人工检尺相比较的方法,得出2014年6月25日14点整测量6#罐液位后10秒内雷达液位计示数如图3,并得出如下结论:

通过在机柜加装信号滤波器的方法成功降低了6#罐液位误差。

图3 6月25日14点整测量6#罐液位后10秒雷达液位计示数

八、总结

8.1巩固措施

(1)定期对雷达液位计和PLC进行保养;

(2)定期人工检尺,检查液位计测量值是否在规定范围内;

(3)将信号过滤器说明书资料归档,以便今后查阅。

8.2提高与学习

通过此次对雷达液位计有了进一步的了解,成功解决了问题,降低了液位计的测量误差,使我们得到了提高,获得了解决实际问题的思路。


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