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E+H雷达物位计干扰回波抑制曲线的应用

编辑: 来源: 发布时间:2017-09-13 11:44:21
摘 要 阐述雷达物位计的干扰应对措施,先容电子技术在屏蔽虚假回波中的应用。详述 E + H 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 ,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
        安装三畅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;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 [3] 。
 
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 E + H 脉冲雷达 Micropilot MFMR240-45E2APJAC4D,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,低液位时采出泵液位与压力已无法维持,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、E +H 雷达物位计干扰回波抑制曲线的应用
        由于 E + H Micropilot M FMR2XX 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(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 。
理想回波曲线
        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 M FMR2XX 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。
抑制曲线的应用
        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:E + H 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App“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App以及相应的通信接口硬件)。
接收罐排空时的回波曲线
        E + H 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。
空接收罐的回波与抑制曲线
        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,E + H Micropilot MFMR2XX 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
        三畅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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