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測(cè)量介質(zhì)引起的非接觸式雷達(dá)液位計(jì)誤差分析

日期：2017-06-30 來源：上海核工程研究設(shè)計(jì)院電氣儀控所作者：郭廣躍

摘要:液位測(cè)量方法有很多種，其中雷達(dá)液位計(jì)以其耐磨損、耐老化性能高、測(cè)量分辨率高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)介紹非接觸式雷達(dá)液位計(jì)的工作原理，并就介質(zhì)的溫度、壓力和成分引起的非接觸式雷達(dá)液位計(jì)誤差進(jìn)行重點(diǎn)分析，zui后根據(jù)某電廠的應(yīng)用實(shí)例對(duì)非接觸式雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行了誤差分析。

0引言

雷達(dá)液位計(jì)是利用電磁波在被測(cè)物料面上的反射及其在空間的行程時(shí)間來測(cè)量物位的，其抗干擾性能好、耐高溫高壓、耐老化性能好、安裝方便且精度高，所以應(yīng)用越來越廣泛。隨著液位測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)液位計(jì)己逐漸成為主流的工業(yè)液位計(jì)之一，并廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域，對(duì)該類儀表的誤差分析，有助于研究目前雷達(dá)液位計(jì)在電廠設(shè)計(jì)中應(yīng)用的合理性，并可指導(dǎo)電廠設(shè)計(jì)工作。

1、非接觸式雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理

雷達(dá)液位計(jì)周期性地向被測(cè)物料面發(fā)射電磁波脈沖，當(dāng)接收到被測(cè)物料面上反射回來的回波后，測(cè)量兩者時(shí)間差，即電磁波脈沖的行程時(shí)間，來計(jì)算物料面的距離，如圖1所示，即:

h=H-t/2(1)式中，h為液位;H為罐高;:為電磁波速度;t為電磁波脈沖從發(fā)射到接收到回波的行程時(shí)間。

2、非接觸式雷達(dá)液位計(jì)的誤差分析

由式(1)可以看出，液位h和罐高H是固定的，電磁波脈沖時(shí)間t主要取決于液位計(jì)本身的元器件質(zhì)量和回波處理軟件等，因此，引起雷達(dá)液位計(jì)誤差的主要因素是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

2.1電磁波的傳播速度

電磁波在真空中的傳播速度由下式給出:

式中，Go為電磁波在真空中的傳播速度，Eo為真空介電常數(shù)，Uo為真空磁導(dǎo)率。

介電常數(shù)E是介質(zhì)的一個(gè)特性，它影響電荷相互作用力的大小，介電常數(shù)越大，兩個(gè)電荷之間的作用力越小。真空中的介電常數(shù)。0=8.854 X 10-12 F/m。某種介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)真空介電常數(shù)的比被稱為相對(duì)介電常數(shù)Er，它是一個(gè)無量綱的參數(shù)，即:

在應(yīng)用電磁波來檢測(cè)物位時(shí)，被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù)一是非常重要的，它會(huì)影響到電磁波的傳播速度，對(duì)于相對(duì)介電一常數(shù)低的被測(cè)物料，部分電磁波能量將穿入物料，剩下的部分能量將從料面上反射。當(dāng)介電常數(shù)Er<2時(shí)，非接觸式雷達(dá)液位計(jì)將難以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

電磁波的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量對(duì)電磁波的速度影響主要體現(xiàn)在磁導(dǎo)率U，相對(duì)磁導(dǎo)率Ur是介質(zhì)內(nèi)磁導(dǎo)率U與真空磁導(dǎo)率Uo的比。就電磁波在非磁性氣體和蒸汽中的傳播速度而言，磁導(dǎo)率的影響微不足道，而與相對(duì)介電常數(shù)相比，它對(duì)電磁波的反射也沒有實(shí)質(zhì)的影響。對(duì)于在被測(cè)物料上方的非磁性氣體，其相對(duì)磁導(dǎo)率Ur=1。

由于不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，因此電磁波在其內(nèi)的傳播速度也不一樣，某一介質(zhì)中的傳播速度由下式給出:

式中，C為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度;Co為電磁波在真空中的傳播速度;Er為相對(duì)介電常數(shù);Ur為相對(duì)磁導(dǎo)率。

2.2 誤差分析

對(duì)于非接觸式雷達(dá)液位計(jì)，氣相介質(zhì)的溫度、壓力、氣體成分等參數(shù)變化會(huì)引起電磁波傳播速度變化，因?yàn)閭鞑ソ橘|(zhì)的介電常數(shù)會(huì)變化，從而引起雷達(dá)液位計(jì)誤差。氣相介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)由下式給出:

式中，Er為氣相介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);ErN為介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下一的相對(duì)介電常數(shù);Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，即273 K;Pn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，即100 kPa ; T為過程溫度;P為過程壓力。

式((5)中，一些常用氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對(duì)介電常數(shù)如表1所示。

將式(5)代入式(4)中，便得到在實(shí)際工況下，電磁波在氣相介質(zhì)中的傳播速度為:

常用氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對(duì)介電常數(shù)Er n

由式(5)和式(6)，就可以根據(jù)實(shí)際的工況條件，即氣相介質(zhì)的溫度、壓力、氣體成分等參數(shù)，計(jì)算出不同氣相介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電磁波的傳播速度，從而計(jì)算出雷達(dá)液位計(jì)在實(shí)際工況條件下的誤差，同時(shí)可以單獨(dú)分析過程溫度和壓力的變化引起的誤差。

3 某電廠設(shè)計(jì)中非接觸式雷達(dá)液位計(jì)誤差分析

從某電廠設(shè)計(jì)文件的信息中可以看出，非接觸式雷達(dá)液位計(jì)主要應(yīng)用在罐體和地坑中，大部分儀表的測(cè)量精度要求為士2.5%。下面以其中某系統(tǒng)的水箱液位測(cè)量為例，就某電廠設(shè)計(jì)中的非接觸式雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行誤差分析。

3.1情況介紹

某系統(tǒng)的水箱液位測(cè)量選用非接觸式雷達(dá)液位計(jì)，當(dāng)液位降至低整定值時(shí)，打開補(bǔ)水閥門，當(dāng)液位升至高整定值時(shí)，關(guān)閉補(bǔ)水閥門。儀表主要數(shù)據(jù)情況如表2所示。

某系統(tǒng)非接觸式雷達(dá)液位計(jì)的主要數(shù)據(jù)

儀表的測(cè)量環(huán)境良好，無泡沫、粉塵、液面波動(dòng)、結(jié)晶等情況，根據(jù)電廠zui終選用儀表的相關(guān)資料，采用儀表的精度可以達(dá)到士2 mm.

3.2儀表誤差分析

罐體的上部介質(zhì)是氮?dú)?，由?中數(shù)據(jù)可以查得，氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對(duì)介電常數(shù)ErN為1.000 576，過程絕對(duì)壓力P為1.134 kPa，過程溫度T為65.6 0C，即338.6 K，將以上數(shù)據(jù)代入式(5)和式((6)，得到儀表在實(shí)際工況下的相對(duì)介電常數(shù)和電磁波傳播速度:

通常雷達(dá)液位計(jì)是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣中校準(zhǔn)的，則校準(zhǔn)時(shí)，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)由表1可查得為1.000633，代入式(4)，可求得校準(zhǔn)的電磁波傳播速度為:

此時(shí)儀表的精度為：

由于儀表的量程為0-0.5m，則此時(shí)的誤差可以達(dá)到：

由以上計(jì)算分析可以得出，只要供貨商能夠保證儀表本身元器件和處理軟件的質(zhì)量，并保證儀表在現(xiàn)場(chǎng)正確安裝，根據(jù)實(shí)際工況條件，儀表能夠滿足其給出的士2mm的精度保證，同時(shí)儀表選型也滿足工藝要求的士2.5%精度。以上分析也證明了非接觸式雷達(dá)液位計(jì)的精度確實(shí)比較高，適用于很多精度要求高的場(chǎng)合。

4 結(jié)語

本文介紹了非接觸式雷達(dá)液位計(jì)的工作原理，并就介質(zhì)的溫度、壓力和成分引起的非接觸式雷達(dá)液位計(jì)誤差進(jìn)行了重點(diǎn)分析，zui后根據(jù)某電廠的應(yīng)用實(shí)例對(duì)非接觸式雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行了誤差分析，有助于研究目前雷達(dá)液位計(jì)在電廠中應(yīng)用和選型的合理性。

本文的某電廠非接觸式雷達(dá)液位計(jì)誤差分析實(shí)例中，環(huán)境條件無泡沫、粉塵、液面波動(dòng)、結(jié)晶等情況，因此儀表本身的工作環(huán)境條件很好，在其他雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用場(chǎng)合，如果環(huán)境條件比較惡劣，或者安裝罐體和地坑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再或者安裝方式不當(dāng)，都有可能對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的精度產(chǎn)生影響，因此在后續(xù)分析中可以針對(duì)具體情況，在本文的分析方法基礎(chǔ)之上，考慮其他因素的影響。

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