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聯系我們 火力發電廠中使用的液位測量儀表種類眾多，從測量原理上分， 有連通器式、 差壓式、 電容式、 反射式等。 本文針對采用波的原理進行測量的反射式液位計， 即雷達液位計、 導波雷達液位計和超聲波液位計， 從測量原理、 在火力發電廠的應用及選型、 儀表安裝等方面進行對比分析， 為火力發電廠中此3種液位計的應用選型提供選型建議。
1、超聲波液位計
1. 1 測量原理
超聲波液位計是運用聲波在不同介質中傳播時的衰減、 穿透能力和聲阻抗不同的性質， 在被測介質界面上產生反射和折射的原理工作的， 反射回波被探頭接收并轉換成電信號， 所測距離與傳播時間成正比， 測量原理圖如圖1所示。
探頭與介質液面間距離D 和聲波傳輸時間t的關系為： D = c· t/2；
介質液位： L= E-D = E-c· t/2。
注： E為空罐高度 （測量零點） ； F為介質滿灌高度； L為介質實際液位； BD 為盲區。
此外， 由于超聲波液位計發射的超聲波脈沖具有一定的時間寬度， 且發射完超聲波后換能器存在余振， 期間不能檢測反射回波， 造成探頭表面下的一小段區域內 （圖1的BD 區域） 的反射波與發射波重迭， 無法識別， 這一區域稱為測量盲區。 應將介質滿罐高度F設置在盲區BD之外。
1. 2 超聲波液位計技術特點
（1） 非接觸式測量。 超聲波換能器安裝在介質上方， 不與被測介質接觸， 可對腐蝕性、 粘稠或有毒液體進行測量， 免維護， 使用周期長。
（2） 適應性強， 應用范圍廣 ， 不受介質密度、 介電常數、 導電性的影響， 通用性好。
（3） 無機械可動部位， 無磨損， 安裝拆卸方便，換能器內壓電元件以聲頻振動， 振幅小， 穩定性強，壽命長。
（4） 具有價格優勢， 常溫常壓下， 超聲波液位計是物料液位測量的選擇。
1. 3 超聲波液位計的選型
（1） 量程的選擇： 根據實際量程選擇相應的液位計， 若被測介質波動劇烈， 應選擇大一級別量程的型號。 此外， 需注意液位計盲區， 被測介質的液位應避免處于超聲波液位計盲區內。
（2） 接線形式的選擇： 根據工作方式的不同分為兩線制、 四線制， 兩線制超聲波液位計其供電（D C24V） 與信號輸出 （4~20m A） 共用一個回路。
四線制超聲波液位計其供電 （D C24V或AC220V）與信號輸出 （4~20m A） 回路分離， 優勢是發射功率大， 同時能夠提供高、 低位繼電器輸出， 增加可選功能。
（3） 探頭的選擇： 根據被測介質的性質選擇合適的探頭， 如腐蝕性介質應選用防腐探頭。
（4） 一體式或分體式的選擇： 正常情況下一般選用一體式液位計； 如需要繼電器開關輸出來控制其他電器機構， 需要在第二現場顯示則選擇分體式。
（5） 不宜選用超聲波液位計的場合。
（a） 被測介質為揮發性液體或含有大量水汽、粉塵、 液面上有泡沫等， 不宜選用超聲波液位計。 因為聲波遇到這些物質時會產生散射和反射， 這些物質也會吸收聲波造成聲波的衰減， 造成測量誤差、虛假測量甚至探頭無法工作。
（b） 壓力過高對超聲波的聲速抑制作用增強， 影響測量精度， 甚至無法測量。 介質壓力超過0. 2M Pa時， 不宜選用超聲波液位計。
（c） 負壓情況下， 不宜選用超聲波液位計。 因為超聲波傳播需要空氣媒介， 負壓意味著空氣稀薄，不利于超聲波傳播， 引起測量誤差， 且聲波衰減增大， 導致測量量程減小甚至不能測量。
（c） 對聲波吸收能力強的介質， 不宜選用超聲波液位計測量其液位。
（d） 被測介質的溫度、 壓力變化較大時， 如果沒有相應校正， 會產生較大誤差， 不宜采用超聲波液位計。
2、雷達液位計
2. 1 測量原理
雷達液位計是一種基于微波技術的非接觸式測量儀器。 電磁波與可見光物理性質相似， 傳播不需要介質， 可穿透蒸汽、 粉塵等干擾源， 遇到障礙物易于被反射， 被測介質的導電性越好或介電常數越大， 回波信號效果就越好。 雷達液位計主要由發射和接收裝置、 信號處理器、 天線、 顯示等幾部分組成。 高頻振蕩器產生的高頻電磁波經天線發射， 波遇到物料表面反射后再由天線接收， 經信號處理器檢測發射波及回波的時差或者頻率差， 計算出液面高度。 測量原理圖如圖2所示。
注： E為空罐高度 （測量零點） ； F為介質滿灌高度； L為介質實際液位
目前， 雷達液位計分為兩大類， 一類為脈沖波式雷達液位計， 發射的電磁波為固定頻率， 檢測信號為電磁波的行程時間t， 液位計與介質液面間距離D 與行程時間t的關系為： D = c· t/2； 介質液位L= E-D = E-c· t/2。
另一類為調頻連續波式雷達液位計， 發射的電磁波為等幅調頻波， 頻率隨時間呈線性增加， 單位時間頻率增量為δf， 檢測信號為發射波和回波的頻率差Δf， 電磁波單程時間為t 1 =Δf/ （2· δf） ， 液面高度L 1 = E 1 -c· Δf/ （2· δf） 。 其中， c代表電磁波速度。
2. 2 雷達液位計技術特點
（1） 非接觸式測量， 不受被測介質物理化學性質影響， 可用于液體、 乳狀體、 熔融體的液位測量。
（2） 電磁波傳播時不需要介質， 不需考慮溫度、 壓力、 粉塵、 被測介質的揮發性對測量的影響。
（3） 一體化設計， 無機械可動部件， 無磨損， 安裝使用簡單， 可靠性好， 使用壽命長。
（4） 適用于介電常數大于1. 5的介質， 幾乎能用于所有液體的液位測量。
（5） 無測量盲區， 測量范圍大、 精度高， 可用于計量儀表。
2. 3 雷達液位計的選型
雷達液位計微波的聚焦和靈敏度都是由天線的外形決定的， 液位計可適應溫度和壓力的范圍也與天線的材料和密封結構有關， 因此雷達液位計選型時天線的選擇zui為重要。 天線型式主要有喇叭口
型、 拋物面型、 法蘭下置型、 桿式。不同類型的天線在不同工況和使用中各有側重， 以下為幾類天線的特點：
（1） 喇叭口天線： 聚焦特性強， 可在高溫高壓條件下工作， 適用于絕大多數場合， 但不適合腐蝕介質的測量。 此類型天線的發射角與喇叭口直徑及頻率有關， 在相同頻率下喇叭口直徑越大， 波束角越小。 另外， 高頻雷達能量高， 波束角小， 抗干擾能力強， 適合于長徑比大的料倉測量， 固體料位的測量一般選用高頻雷達料位計， 測量范圍可達到70m ， 甚至可到100m 。 低頻雷達頻率低， 能量分散，抗粉塵能力弱， 在固體料位測量時， 測量范圍不超過30m 。
（2） 拋物面天線： 波束角zui小 （4° 發射角） ， 波束范圍小， 電磁波能量集中， 量程較大， 測量精度高（±1m m ） ， 能實現對介電常數小的介質的測量。 但拋物面天線尺寸較大， 安裝使用不方便。 主要用于計量用途的液位測量。
（3） 法蘭下置型天線： 用于強腐蝕性介質、 高溫介質的測量及不適于頂部安裝的測量環境。
（4） 桿式天線： 為了避免腐蝕性介質如鹽酸等的揮發造成對天線的腐蝕， 將天線做成桿式， 使接觸面積zui小化， 并且天線桿外層由耐腐蝕性材料制成， 常用于腐蝕性介質的測量。 但此類天線波束角較大， 工況復雜的條件下干擾回波多， 測量精度低。
3、導波雷達液位計
3. 1 測量原理
導波雷達液位計結合時域反射原理 （TD R） 、等效時間采樣和現代的功率回路技術， 發射高頻電磁脈沖沿導波桿傳播， 遇到被測物料表面后， 反射形成回波并由天線接收， 由超高速計時電路測量出電磁脈沖波的傳播時間， 根據TO F （Tim e ofFlight行程時間） 原理， 計算出被測介質的液位，屬于接觸式測量方式。 液位計主要包括電子表頭和導波桿2個部分。 測量原理圖如圖3所示。 介質液位L= E- （c· t/2） 。 其中， c為電磁波速度； t為電磁波從發射到回收經歷的時間。
高頻電磁波到達物料表面形成回波后， 信號會減弱， 信號強度與物料的介電常數以及導電性成正比， 介電常數越大、 導電性越好， 回波信號越強。 回波信號是影響導波雷達液位計測量準確性的一個重要因素。 一些品牌的產品， 采取底部回波檢測技術來保證不失波， 并采取一些誤差補償措施如氣相誤差補償等， 提高測量精度。
注： E為空罐高度 （測量零點） ； F為介質滿灌高度； L為介質實際液位。
3. 2 導波雷達液位計技術特點
導波雷達液位計主要具有以下優點：
（1） 導波雷達液位計的電磁波沿導體傳播， 衰減程度小， 能耗低， 且脈沖信號能量集中， 不擴散，抗干擾能力強， 測量準確。
（2） 適用于較低介電常數介質的液位測量， 介電常數的大小只影響回波幅度大小， 不影響測量結果。
（3） 霧氣、 泡沫等引起的散雜信號對測量無影響。 對于有明顯的揮發性氣體、 泡沫、 液位波動、 掛壁和結垢、 鼓泡或沸騰、 超低液位、 介電常數或比重變化的介質場合， 均能有效進行測量。
（4） 可用于介電常數相差很大的兩種液體界面的測量， 如油、 水界面。
（5） 測量不受介質密度、 導電率和溫度的影響， 適用于高溫高壓工況下的測量。
3. 3 導波雷達液位計的選型
導波雷達液位計探頭的配置決定了一些基本性能， 不同的探頭適用不同的測量對象， 因此選型時探頭的選擇十分重要。 根據探頭結構的不同可分為3種類型： 同軸桿式、 雙桿式和單桿式探頭。
（1） 同軸桿式探頭： 應用zui廣泛的探頭型式，適用于清潔的低粘度液體， 被測介質介電常數ε可低至1. 4， 并且可耐高溫高壓， 是所有導波桿中性能的。 但由于其敏感的 “封閉” 電磁場設計， 使同軸式探頭在掛料和結垢的應用場合容易產生測量誤差， 因此不適用于掛料和結垢、 泡沫場合介質液（料） 位測量。
（2） 雙桿式探頭： 桿為硬桿或鋼纜。 適用于粘度較大且有少量掛料的工況， 可測量液體或散狀固體。 其平行的導體設計方案不如同軸式設計方案靈敏度高， 被測介質介電常數須ε＞2. 0。 “開放” 的電磁場設計能夠更的測量易掛料和結垢的介質，膜狀的掛料對變送器的性能影響較小。 但在兩桿之間物料搭橋或在隔離件上結垢， 都會導致測量的反常， 應避免。 并且向外擴散的電磁場使對靠近它的物體的近場效應更加敏感。
（3） 單桿式探頭： 桿為硬桿或鋼纜。 結構zui簡單的探頭， 是3種探頭型式中信號傳輸效率zui低的一種， 被測介質介電常數須ε＞10。 是zui “開放” 的電磁場設計， zui能忽視掛料和結垢， 也是受物體接近程度影響zui大的探頭。 適用于粘度較大、 泡沫、 掛料和結垢的工況， 可測量液體或散狀固體。
4、三種液位計在火力發電廠的應用
4. 1 火力發電廠液位計的選型
在火力發電廠環境中， 3種液位計的應用選型總結如下：
（1） 超聲波液位計主要應用于各種開放式或常壓的箱、 罐容器及水池的液位測量， 如開/閉式水箱、 主油箱、 各種加藥溶液箱、 水池的液位。
（2） 雷達液位計幾乎能用于所有液體的液位測量。 考慮測量的穩定性和準確性， 雷達液位計多用于大量程液位的燃油油罐、 除鹽水箱、 酸堿儲罐的液位測量， 以及固體料位如原煤倉料位、 石灰石粉倉料位和灰庫連續料位的測量。
（3） 在罐內有攪拌、 介質波動大的工況下， 或者小型罐體內的物位測量， 以及低介電常數介質的物位測量， 應選用導波雷達液位計。 電廠中導波雷達液位計主要應用于高壓加熱器、 低壓加熱器、 凝汽器、 除氧器等的液位測量， 也可以用于小機油箱、EH 油箱等的油位測量。
