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　　特殊介质测量的定制方案

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　　什么是双法兰式液位变送器及原理

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　　昌晖仪表介绍一种由双法兰液位变送器和导波雷达液位计组成的真空制盐蒸发罐液位测量技术方案，本方案大程度克服生产中强腐蚀、结晶堵塞、真空、高温、泡沫等因素对仪表的影响，经制糖、海绵钛和制盐的真空蒸发室液位测量应用，明此真空蒸发室液位测量系统可长期、稳定和地运行。

　　真空制盐是当今世界普遍采用的现代化制盐方法，指卤水在不同真空压力状态下的蒸发罐中进行蒸发，逐级浓缩、结晶制盐的过程。制盐过程中核心工序是蒸发，生产中通过蒸发罐中液位变化计算水分蒸发量，并达到控制溶液浓度的目的。生产中，强腐蚀、结晶堵塞、真空、高温同时存在，导致制盐蒸发罐液位测量仪表损坏率高，生产自动化控制系统无法正常运行。论文将重点阐述真空制盐蒸发罐液位测量方法。

　　真空制盐蒸发工艺

　　真空蒸发技术起源于1812年英国糖厂的单效真空蒸发,1887年美国将此技术用于制盐，1940年开始应用于中国制盐行业。

　　图1 真空制盐流程图

　　蒸发是液体表面发生汽化或溶液部分汽化的现象，蒸发时液体不断吸收热量，温度越高蒸发越快，溶液沸腾时蒸发速度快。根据蒸发罐内压力，蒸发分为加压蒸发、常压蒸发或负压蒸发，在负压下的蒸发，我们称为真空蒸发。应用广的是采用强制循环真空蒸发器，如图2。

　　图2 强制循环真空蒸发器

　　制盐企业为提高竞争力，不断降低成本、提高产品质量，同时满足减排，就对蒸发工艺进行改进，提高自动化控制水平，使蒸发效率达到佳状态。

　　实行多效蒸发生产目的是为了多次重复利用二次蒸汽，以降低单位产品的能耗，有效节约能源。蒸汽利用的次数就是效数。蒸发效数越多，蒸汽用量越少，能耗越低，但效数增多，会增加设备成本。

　　真空制盐主要过程为蒸汽加热一效卤水，排出的二次蒸汽逐效加热下一效卤水。通过逐效蒸发，使盐浆增稠，稠料液去离心机脱水，即为盐。每一效蒸发的关键是控制盐浆的浓度，而盐浆有较强腐蚀性、容易结垢、粘结，浓度直接测量，通常是通过在封闭蒸发室中蒸发前后的液位比来间接控制盐浆浓度。所以制盐蒸发罐液位测量是真空制盐重要的参数。

　　真空制盐蒸发罐液位测量技术方案

　　1、原用方案分析

　　用人工监测液位的方式，提高产品质量和生产效率，人们逐渐用“摄像视频+雷达液位计”，实现自动化实时控制，如图3，应用脉冲雷达液位计连续测量旁通管中的液位。

　　图3 雷达液位计+窥镜液位测量法

　　此方案在实际应用中，因盐浆结垢，水平连通管、旁通管经常发生堵塞问题，造成旁通管内液位假象，需频繁停车，拆装法兰并清洗管道。蒸发中，盐浆在蒸发室内因搅拌产生大量的泡沫，使脉冲雷达液位计测量液位假象。人工清洗工作量大，生产成本高，液位测量不准，自动控制连续运行。

　　2、可长期运行的真空制盐蒸发罐液位测量技术方案

　　随着仪器仪表技术的发展，市场上已出现真空的液位变送器以及管道清洗技术，为真空制盐蒸发液位监测提供了新思路。在设计、应用中，建议液位监测采用“法兰差压变送器+导波雷达液位计+窥镜”三重组合冗余方案，确保测量的准确性、性、性。设计与安装方案，如图4。

　　图4 真空制盐蒸发罐液位测量双法兰液位变送器+导波雷达液位计+窥镜液位监测方案

　　①方案设计说明

　　a、蒸发室与旁通管间的连接管，从水平改为斜角，角度控制在20°左右，延长结垢清洗周期；

　　b、在连通管上安装冲洗环和截止阀，可定期自动清洗；

　　c、在旁通管面部安装雷达液位计；

　　d、在旁通管另一侧安装20°斜角的法兰短管，再安装双法兰液位变送器，用于液位直接测量。同时在法兰之间加装冲洗环(结构如图5)，冲洗环上配置冲洗用截止阀，可定期清洗；

　　图5  清洗环结构示意图

　　e、在旁通管底部可加装一个清洗阀门，大修时可以使用；

　　f、在蒸发室面部，仍安装采光窗和视频摄像窗；

　　g、旁通管内径建议在300mm以上，由于蒸发液位较高，毛细管较长，建议采用DN80法兰。

　　②方案优势

　　a、双法兰液位变送器可直接测量液位，消除蒸发过程中搅拌产生的泡沫对雷达测量产生的误差，提高测量精度和产品质量；

　　b、能连续准确测量液位，为生产过程实现自动化控制提供依据；

　　c、雷达液位计与双法兰液位变送器组合，实现冗余监控，提高自动化控制系统性；

　　d、倾斜的连接管、法兰短管，可以减少沉淀结垢物的堆积，也便于冲洗；

　　e、配置冲洗环与截止阀相连，好是电动截止阀，用程序控制，定期对连接管、法兰、旁通管进行清洗，减少管道结垢堵塞的问题，提高设备维护效率， 降低维护成本；

　　f、保留窥镜，配置视频窗口，以便观察、巡视。

　　真空制盐蒸发罐液位测量仪表选择与配置

　　根据上述设计方案，还需配置合适的仪表，才能确保装置正常运行。

　　1、雷达液位计的选择

　　在制盐真空蒸发中，卤水因搅拌产生的较厚泡沫，会对脉冲雷达液位计造成干扰，应选用缆式导波雷达液位计，以此测量的性和测量精度。

　　2、双法兰液位变送器的选择

　　真空制盐蒸发工段，介质具有腐蚀性、易结晶沉淀，而且环境存在腐蚀性气体，选择双法兰液位变送器时，考虑以下因素:

　　①双法兰液位变送器的法兰膜片材质建议选择钽材。

　　②双法兰液位变送器壳体材质可选择316不锈钢。

　　③冲洗环可选择316L。为结晶颗粒较大，不易排出，建议冲洗孔选择1/2NPT。

　　④变送器类型选择:真空制盐蒸发器的高度通常在6m以上，属于密封容器，根据方案应选择通径DN80以上的带测量筒的双法液位兰变送器。常见多效真空蒸发，在Ⅰ效、Ⅱ效工作为正压，Ⅲ效、Ⅳ效、Ⅴ效为负压。根据操作压力，Ⅰ效、Ⅱ效可选择标准的双法兰液位变送器，而Ⅲ效、Ⅳ效、Ⅴ效蒸发器，需选择专门为真空环境定制生产的双法兰液位变送器。

　　根据上述条件，各效蒸发罐液位测量所用双法兰液位变送器选型基本要求可参考表1。

　　表1 各效蒸发器液位测量所用双法兰液位变送器设计选型基本要求

　　以上设计安装方案，已在制盐、制糖、海绵钛产业中得到成功试用，充分明此方案可有效解决真空蒸发中因泡沫、结晶、真空、强腐蚀产生的液位测量难题。

　　其他建议

　　真空制盐，一般采用差压变送器配合孔板节流装置测量蒸汽、卤水和盐液流量。近年来，许多厂家应用电磁流量计测量盐液流量。但环境对碳钢法兰造成了严重的腐蚀，导致内衬PTFE发生变形损坏。因此，昌晖仪表建议选择的电磁流量计内衬PTFE材质，并要求法兰为316L材质。

　　雷达是利用电磁波传播过程中折射性和性而研发的一种空间测距电子仪器，初用于国防及航空导航。随着科学技术的推广，雷达逐渐用于工业和民用领域，并衍生出众多型号产品，应用于工业生产中液位测量的雷达液位计就是其中的一类。

　　雷达液位计测量原理

　　雷达液位计的测量原理和军工中的雷达一样，都是通过电磁波的直线传播特性测量周围空间的净空距离，即被测物体距离雷达的直线空间距离，具体到工业生产中就是液体的液面到雷达天线的空高。通过对雷达液位计组态可设定雷达天线到容器底部的垂直距离，根据已经测得的液面空高就可计算出液体的液位高度。

　　测量原理公式为H=L-CT/2

　　C为电磁波的波速即光速， T为电磁波从发射到接收所用到的时间，L为雷达天线距离容器的低端的垂直高度，H为被测液体的高度。

　　工业中的液位检测不同于军工航空动辄几十上百千米的空间测距，生产中的液位检测距离都较小，高范围的储罐液位检测也就一二十米的垂直高度，这样的距离空间相对于光速传播的电磁波来说可以忽略不计，于是上述的测量方式很难实现，因为人类无法制造出不用时间的电路处理仪表。

　　为使雷达测距应用于工业中的液位检测，生产厂商使用了高频的无线电波，使用线性调频连续测距的方法，让天线发射的电磁波的频率随着时间进行改变，接收器接收到的反射电磁波频率与此时的天线发射频率是不同的，通过计算两者的频率差，换算得出电磁波在空间传播的时间，从而能够计算出被测液位的高度。雷达液位计的构造

　　不同厂商所生产的雷达液位计形式各异，但总体的部件大体是一致的，其主要包括电路部分（雷达波发生器、信号检测、信号处理），天线及接收器和安装附件表体三大部分。根据天线的不同，雷达液位计可分为导波雷达和普通雷达两大类型。

　　导波雷达液位计

　　导波雷达是在电磁波发射器的下方安装了一个金属导波体，让高频的无线电波沿着金属体垂直向下传播，当电磁波碰到被测物质的液面时，电磁波会在接触面反射，沿着波导体垂直的返回到雷达液位计天线内部的接收器中，然后处理电路进行分析计算，得出被测液体的液面高度。根据金属导波体的不同，导波雷达又分为缆式和杆式两大类。

　　缆式导波雷达的导波体为一个柔性的不锈钢金属绳，其末端栓一金属重物，以金属绳在被测液体中垂直的伸入到容器底部，金属绳在使用中漂浮摆动而弯曲。这样结构的雷达液位计主要用于底下罐、零位罐等地面以下的液位测量中。

　　杆式导波雷达的波导体根据导波杆及天线的不同又分为很多种，有金属杆式的导波雷达，有通过金属管的喇叭天线式的导波雷达，有带有旁通测量筒的导波雷达。这些导波雷达主要用于高出地面的储罐液位测量或生产设备塔器储罐可以侧装旁通管的液位测量。 西安赛谱自动化仪表技术有限公司

　　普通雷达液位计

　　普通雷达液位计的天线，只是一个电磁波的发射接受装置，其电磁波发射后通过气相自由传播，由于雷达液位计电磁波为高频的微波信号发散传播性差，而且被测液体距离雷达液位计的高度小，其电磁波传播过程可看成垂直传播，因此这种雷达液位计满足液位测距要求。相对于导波雷达少了导波体节省费用方便安装，在储罐等较高液位测量中得到大量的应用。

　　根据天线的不同生产厂商制作了不同型号的雷达液位计，以适应不同工况环境。厂里使用的普通雷达液位计的天线有喇叭口、水滴形（防液体挥发凝结）、偏心型（防多重反射电磁波干扰）、宽口喇叭口（防气相介质衰减电磁波）四种类型。

　　电路处理部分

　　根据 雷达液位计处理电路的复杂程度，雷达液位计分为单路测量的普通模式和多重处理信号的总线模式。多重信号处理不仅能处理雷达电磁波测距的液位信号也可处理热电阻的温度测量信号，并可通过总线的方式把多台雷达液位计连接起来，通过一根总线远传到控制室内。适用于储罐众多布分散的大中型储罐系统的液位测量，节约了传输线缆的铺设和费用。

　　雷达液位计故障分析及处理

　　雷达液位计从测量原理上看是一种高精度的测距仪表，雷达液位计制造厂商也大肆介绍雷达液位计的优点，如可用于工艺过程中挥发性气体、高温、高压、蒸汽、真空及高粉尘等恶劣环境的要求，可对不同料位进行连续测量，但实际使用中雷达液位计常出现很多问题甚至失灵无法使用。

　　雷达液位计电磁波选取依据

　　由雷达液位计的测量原理可见，雷达液位计测量过程中的核心是电磁波传播过程中频率波的改变范围，因此天线所接受的雷达波的频率，是液位测量的关键依据。

　　雷达液位计在使用中天线到被测液体的液面的空间净空中，充斥着各种频率的电磁波，这些电磁波大部分都会通过各种反射、折射传播到天线内部的接收器中，因此雷达液位计的接收器接收到的电磁波是一系列的大量的不同频率的电磁波。

　　怎样从这杂乱的电磁波中选出真实的液面反射来的电磁波，是雷达液位计能否准确测量液位的关键，这就需要一个选频电路。选频电路选择的依据是根据接受到的电磁波的能量来进行衡量。

　　电磁波在传播过程中受气相介质，被测介质的反射折射，金属容器壁等物质的碰撞吸收，能量会不断减弱，反射的次数越多能量损失越大，经过的距离越长能量损失越大。由于电磁波是垂直于被测液体的液面发射，其电磁波在被测液面的反射率大（折射率小），可近似为全反射，其在被测液体液面的能量损失，是电磁波回波损失小的。垂直于被测液面的空间距离是电磁波传播中短的距离，这个反射的电磁波在气相空间传播中能量损失也是小的，由此两点被测液位反射回来的电磁波的能量是电磁波频谱中大的，由此雷达液位计的选频电路得出被测液体的空高，从而计算得出被测液体的高度

　　雷达液位计使用中的问题

　　雷达液位计电磁波选频可以知道，返回接收器的电磁波的能量大小是雷达液位计选用电磁波频率的依据，从而决定着雷达液位计测量的准确性。如果正常使用中，被测液体所反射的电磁波的能量不是高的电磁波，那么雷达液位计就会选用其他的不真实的电磁波频谱，此时就会造成被测液位失真。

　　造成这种现象的原因，大体可以归为以下几点:

　　一、被测液体与雷达天线之间的净空中有较大面积的反射物，致使电磁波在到达液面之前被反射。造成这种现象的原因主要为:

　　1、被测容器内部有搅拌器、加热盘管、管线等金属物体，如果这些金属体裸露在被测液体的外部，而且正处于电磁波垂直传播的方向，如搅拌机旋转中的浆液转动，就会造成电磁波被提前反射回来，而造成被测液位偏高。

　　2、雷达液位计安装地点距离容器壁太近或不垂直与被测液面，使电磁波在传播中照射到容器内壁而提前反射回来；电磁波在被测液面反射过程中没有原路返回（斜射时），致使雷达液位计检测不到反射电磁波；液面反射的电磁波经多重反射能量损失过多，而没有被选频电路选中，以上多种情况造成雷达液位计测量失真。

　　二、波导体（绳缆、杆）上有挂料，电磁波沿着波导体传播中，在没有到达液面前遇到波导体上面的挂料而反射回来，产生虚假液位。安装的波导管不垂直与雷达液位计，造成电磁波斜射到波导管的内壁，而产生如同容器内壁一样的反射或多重反射而使测量失真。

　　三、被测液体与雷达天线之间的净空中，气相介质蒸汽浓度太大，致使电磁波在空间传播中，能量损失太大，甚至反射波根本到达不了雷达液位计的接收器。

　　被测液体有加热要求，上部安装搅拌机的情况下尤其严重，由于被测液体在加热搅拌中不断有蒸汽挥发，会造成液面以上的空间中充满了高浓度的介质蒸汽，其微小的液体颗粒不仅对电磁波产生漫反射而且会吸收大量的电磁波能量，使电磁波出现很大衰减，造成雷达天线无法接受回波信号。

　　被测液体中含有水份时，挥发的水蒸气对于电磁波的吸能更加严重。由于水汽具有易冷凝的特性，气相空间含有的水汽在罐顶罐壁附近会逐渐冷凝，积聚在一起形成较大的水汽滴，充斥在液位上方的空间里，对于电磁波具有强烈的吸能作用，致使电磁波的能量衰减过大无法到达雷达接收器，造成雷达液位计彻底失去工作能力。

　　四、雷达液位计天线附着赃物，致使电磁波刚刚发射出就被反射回来，甚至根本发射不出去。这样的状况即使使用防凝结的水滴形天线，也无法避免雷达液位计的突然失灵。

　　雷达液位计天线附着赃物是被测介质挥发的升级加重，被测液体净空中大量充斥着气相蒸汽，其会附着在雷达液位计的天线上，是易冷凝的高粘介质，雷达液位计安装在储罐顶部温度较低，挥发的介质蒸汽易在雷达天线上凝析附着，造成电磁波发射困难，情况严重时介质甚至在天线上结焦，损坏天线。

　　同样被测介质含有水份时，水汽易在天线上附着，致使电磁波发射不出去，使雷达液位计彻底失灵。

　　五、雷达液位计电路中的保护措施。雷达液位计是一种高科技的测量仪表价格昂贵，处于对仪表本身防护的需要，制造厂商普遍在电路中设置了很多保护措施，如超温保护、低电压保护，高液位保护，运行故障保护以及数据保持，错误锁定等液位检测防护措施。这些防护措施在日常使用中，如果雷达液位计出现问题，保护就会动作，造成雷达液位计停止工作，此时需要查找故障原因，清除恢复后雷达液位计才能正常使用。防护功能随厂商不同而设置，集成度高的防护措施多。如总线式的多功能雷达液位计，其本身的防护措施就多，日常维护要熟悉。

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　　介质测量的定制方案

　　高温熔体（＞400℃）测量采用水冷法兰（流量2m³/h）保护传感器，波导延伸管耐温达800℃。强粘附性介质使用自清洁天线，每秒1次的微振动挂料。某沥青储罐应用案例中，带刮刀装置的传感器使维护周期从1周延长至6个月。卫生型设计满足3A标准，Tri-Clamp快装接口表面粗糙度Ra＜0.8μm。研发的透波窗口材料（如蓝宝石）可测量ε＜1.4的介电常数介质。

　　产品说明蒸汽质量流量计RHM03S-N1P1PM035D3J5 Rheonik雷奥尼克传感器技术性能1.高允许工作压力可达1722bar2.过程连接尺寸从DN6到DN3003.流量测量范围从1g/min到30t/min4.量程比＞100:15.采集频率可达4000Hz6.优于0.05%精度7.可按需定制测量管材料质量流量计选型参数1、流量范围(大,小,常用)2、耐压3、耐温（高温或低温）5、介质密度6、介质粘度7、精度雷奥尼克流量计的应用场合1、粘稠介质 2、沥青应用 3、贸易结算4、嵌入式应用5、电解液加注6、物料输送7、聚氨酯生产8、泄漏检测 9、接收站计

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　　1、防腐导波雷达物位计产品概述:

　　防腐导波雷达物位计是采用微波技术来检测料位的高科技产品，该料位仪利用微波具有穿透性好，对恶劣环境及被测物料适应性强等特点，利用雷达原理、数字信号处理技术和傅里叶变换（FFT）技术。采用连续式乍动测量，能测量液体、固体（块状、粉状）料位，具有测距远、精度高等特点

　　防腐导波雷达物位计具有低维护，高性能、高精度、高性，使用寿命长等优点。在与电容，重锤等接触式仪表相比较，具有无可比拟的性。微波信号的传输不受大气的影响，所以它可以满足工艺过程中挥发性气体、高温、高压、蒸汽、真空及高粉尘等恶劣环境的要求。该产品适用于高温、高压、真空、蒸汽、高粉尘及挥发性气体等恶劣环境。可对不同料位进行连续测量。该仪器主要技术达到或优于国内外同类产品,且安装调试简便，可以单台使用，也可组网使用，可**应用于冶金、建材、能源、石化、水利、粮食等行业。

　　2、导波雷达物位计技术参数:

　　应    用:腐蚀性液体

　　测量范围:杆式6米/缆式20米

　　过程连接:法兰

　　过程温度:-40~120℃

　　过程压力: -0.1~2MPa

　　精    度:±3mm

　　频率范围:100MHZ~1.8GHZ

　　防爆等级:Exib IIC T6 Gb

　　防护等级:IP67

　　信号输出:4—20mA/HART（两线）

　　3、防腐导波雷达物位计使用说明:

　　测量原理

　　防腐导波雷达物位计是基于时间行程原理的测量仪表，雷达波以光速运行，运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。探头发出高频脉冲并沿缆绳传播，当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表内的接收器接收，并将距离信号转化为物位信号。

　　输入

　　反射的脉冲信号沿缆绳传导至仪表电子线路部分，微处理器对此信号进行处理，识别

　　出微波脉冲在物料表面所产生的回波。正确的回波信号识别由智能软件完成，距离物料表

　　面的距离 D 与脉冲的时间行程 T 成正比: D=C×T/2 其中 C 为光速

　　因空罐的距离 E 已知，则物位 L 为: L=E-D

　　输出

　　通过输入空罐高度 E（= 零点），满罐高度 F（= 满量程）及一些应用参数来设定，应

　　用参数将自动使仪表适应测量环境。对应于 4－20mA输出。

　　测量范围

　　F---- 测量范围

　　E---- 空罐距离

　　B---- 顶部盲区

　　K---- 探头到罐壁的***小距离

　　顶部盲区是指物料***高料面与测量参考点之间的***小距离。

　　底部盲区是指缆绳***底部附近无法***测量的一段距离。

　　顶部盲区和底部盲区之间是有效测量距离。

　　导波雷达液位计是为液位测量和控制系统中应用而研发的新型雷达液位仪表，可以用于指示和控制液位，可以满足大多数情况的液位测量，测量准确度高，导波雷达液位计工作原理运用了时域反射与ETS等技术。液位计变送器模块可以发射特定频率的高频窄电磁波，该电磁波沿着传感器的导波杆或钢缆传播，当发射的电磁波遇到不同的介电常数的介质表面时，电磁波会被反射回来。通过等效时间采样技术将纳秒级的传导时间放大为毫秒级别的等效时间，再采用目标识别等复杂的算法处理，并对存在的虚假回波进行有效抑制，从而实现了对液位的测量。

　　导波雷达液位计是一种采用直接接触的方式，将传感器导波杆或者钢缆浸入被测介质进行测量的液位仪表。液位计运用了时域反射原理，变送器模块部分产生一定频率的电磁信号沿导波传感器传播，遇到不同介电常数的介质时产生反射，单片机通过算法可以得到待测液位高度。因此，在用导波雷达液位计测量液位时，液位的变化会引起传感器特征阻抗改变。这种改变产生的反射信号通过电路采集进行捕捉后，加以处理从而得到所测的液位高度。

　　导波雷达液位计主要具有以下优点 :

　　（1）液位计的电磁波沿同轴射频电缆和导波杆或者钢缆传导，衰减程度小，功耗低，电磁波能量集中，不易扩散，抗干扰能力很强，高准确度可达±3mm。

　　（2）可以测量各种低介电常数的介质，介电常数的大小只影响回波幅度大小，对测量数据无影响。

　　（3）雾气、泡沫等引起的散杂信号对测量无影响。对于具有挥发性气体、泡沫、液位表面波动、挂料、结垢、沸腾、介电常数或密度经常变化的测量工况，都可以有效进行测量。

　　（4）测量不受介质密度、导电率和温度的影响，适用于高温高压工况下的测量。

　　（5）具有维护量小，现场调校方便，性能稳定、等优点。