706-512A- 010/7CS-1100-A2N-20-155DY导波雷达液位计质量好的
摘 要: 液位测量是核电站自动控制系统中的重要组成部分。导波雷达液位计基于电磁波时域反射( TDＲ) 原理，具有受环境影响小、测量精度高等特点。导波雷达液位计作为一种新型的液位测量手段，已经在核电领域有了广泛的应用，但是在其应用过程中也遇到了一定的问题。针对福清核电汽水分离再热系统疏水箱液位计频繁出现的支撑件破碎、密封失效以及蒸汽补偿漂移等问题，进行了原因分析并给出了解决措施。通过对导波雷达液位计的改造，使得导波雷达液位计在核电高温蒸汽系统中得到了应用，提高了汽水分离再热疏水液位测量的性，保障了机组运行。该研究对推动导波雷达液位计在蒸汽系统中应用提供有力支持，对导波雷达这种新型液位计未来在更多测量环境中的应用起到了积作用。wfP压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
引言
导波雷达液位计作为一种新兴的液位测量仪表，克服了传统仪表的不足，在核电厂的应用逐渐增多。但导波雷达液位计在高温高压蒸汽系统使用时，还存在一些不足，导致系统液位测量失真［1］。汽水分离再热系统是核电厂汽轮机的重要辅助系统，主要应用于汽轮机运行期间，通过控制进入二级再
热管束的蒸汽量，对高压缸排气进行和再热，使进入低压缸的蒸汽有一定的过热度。其应用改善了汽轮机低压缸的工作条件，提高了汽轮机的相对内效率，减少了湿蒸汽对汽轮机零部件的刷蚀。在福清 1 ～ 4 号机组调试及运行期间，汽水分离再热系统二级疏水箱液位计多次出现故障，如液位计探杆泄漏、测量失效等。针对二级疏水箱液位计问题，采用新型测量方案，对汽水分析再热系统二级疏水液位测量作优化改进。
1 导波雷达物位计测量原理及特点
( 1) 导波雷达液位计的工作原理。
导波雷达液位计基于电磁波时域反射原理［2］，由电磁波发生器发射一个电磁脉冲信号发射到导波体上，以导波体作为信号的传输载体。当遇到被测介质表面时，部分信号被反射形成回波并沿相同路径返回脉冲发射装置。发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，测量发射与反射脉冲［3］。导波雷达液位计测量原理如图 1 所示。
导波雷达液位计测量原理图
( 2) 导波雷达液位计的测量特点。
①电磁波信号沿导波杆传输可消除假回波信号，减少信号丢失。
②整个测量装置无活动部件，无机械磨损。
③安装调试方便。
④不受介质 密度变 化 的 影 响 ( 但 是 需 要 单 一 介质) 。
⑤使用与高温、高压的物位测量。
2 现有设计缺陷导致测量不稳定的原因分析
核电厂二回路液位控制是核电厂重要的控制系统之一，其测量环境需考虑真空、高温、泡沫等多方面因素。传统液位仪表因其固有原理，无法通过自身技术的改进来消除误差。故本文采用了导波雷达液位计［4］。但在机组运行过程中，汽水分离再热系统原有导波雷达液位计导波杆的支撑件会破碎，支撑件碎片会进入到二回路系统中，形成异物，危及机组［5］。同时，导波杆内支撑件破碎后，因振动、冲击等因素会导致导波杆触碰到水位测量筒，使液位测量产生跳变，存在汽水分离再热系统二级隔离风险。受制于现场使用条件，汽水分离再热器二级疏水箱内充满饱和蒸汽。蒸汽是性气体，即蒸汽的介电常数会根据环境的压力、温度而改变。介电常数的变化会影响电磁波的传播速度。波速度公式为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
由式( 1) 可见，当介质的介电常数变化，则波速度会随之变化。由于电磁波在不同介质中的传输速度不同，比如在空气中的传输速度比在蒸汽中传输速度大，因此 汽 水 分 离 再 热 系 统 ( gas-liquid seperate system，GSS) 二级疏水箱液位计选用的都是蒸汽型导波雷达液位计［7］。
经统计，在功率运行期间，汽水分离再热系统二级液位计共计出现缺陷 91 项。其中，导波雷达液位计漏汽缺陷共计 38 项，二级疏水箱液位计偏差大共计 46项，因仪表故障导致通道测量不可用共计 7 项。
根据现场液位计缺陷情况来看，目前汽水分离再热系统二级液位计主要存在以下故障。
①液位计探杆支撑杆破碎。经分析，原汽水分离再热系统二级液位计所用的高温型导波雷达液位计，其探杆支撑件采用聚醚醚酮( PEEK) ［8］高分子合成材料。在运行过程中，该支撑件会逐渐脆化，在系统冲击工况下破裂。处理方式: 在测量系统改进前，机组只能通过每次大修期间，对探杆进行定期更换。
②液位计探杆密封失效。液位计探杆内部密封件采用 PEEK 材料进行隔热，靠近连接部位采用 2 个 O型圈进行密封。O 型圈耐温范围为 150 ℃ 。因汽水分离再热系统二级疏水箱内部温度达 280 ℃ ，探杆隔热材料失效，进而使 O 型圈失效，探杆密封泄漏，测量闪发质量位。处理方式: 目前出现探杆密封失效后，无法进行更换。
③液位计冷热态工况，液位测量出现偏差。液位计大修冷态调试时，3 支液位计偏差小于 20 mm。但汽轮机冲转并网后，因系统温度上升，3 支液位计偏差会达到 100 mm。在机组运行时间长后，液位计偏差也会逐渐增加，导致偏差超过 100 mm。处理方式: 目前只能在热态后，对偏差大液位计进行修正。机组功率运行后，每周定期巡检方式，检查液位计偏差，并及时进行修正。
3 改进方案
3． 1 导波雷达液位计支撑件改进
原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用PEEK 支撑件，同时也作为探杆隔热材料。PEEK 是芳香族结晶型热塑性高分子材料。PEEK 玻璃化转变温度为 143 ℃ ，其熔点为 334 ℃ 。这种材料耐抗有机和水环境，具有优良的化学性、热稳定性和抗氧化性。目前，应用汽水分离再热系统二级疏水箱实际运行温度为 280 ℃ ，仪表的设计温度为350 ℃ ，而 PEEK 物理特性耐温只有 250 ℃ ，因此运行时间过长会产生变形或碎裂。
为应对导波雷达液位计支撑件破碎及密封失效情况，此次支撑件设计采用 99． 7% 纯度的 Al2 O3 陶瓷材料［8］。该材料具有硬度大、耐磨性能好、质量轻等特点。其熔点在 2 000 ℃ 以上，具有良好的导热性、缘性以及透光性，介电常数为 9． 0 左右，适用于高温蒸汽型导波雷达液位计测量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力学特性如表 1 所示。
改进后探杆内部结构精密。蒸汽部分主元件采用氧化铝陶瓷，不会因为温度增高而变形、渗漏。密封元件采用耐高温的石墨密封 Graphite，是目前仪表产品在高温蒸汽方面的理想材料。其物理性能远远优于以前使用的 PF128、PEEK、铝矾土等材质，十分稳定。该结构整体密封结合紧密，可杜蒸汽进入。
3． 2 导波雷达液位计高温补偿改进
原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用点补偿方式，补偿点到电磁波发射口距离为 125 mm。如果测量点以上或者测量点位置有凝露或者误差，会放大传导到下方实际液位测量。为了地说明上述结论，定义系数 K。
图:导波雷达液位变送器产品图片 表:产品分类及头部企业 表:导波雷达液位变送器产业链 表:导波雷达液位变送器厂商产地分布及产品覆盖领域 表:导波雷达液位变送器主要生产商销量排名及市场占比2021 表:TOP 5 企业产量占比 图:导波雷达液位变送器下游行业分布（2020-2021） 表:销量及增长率变化趋势（2017-2027） 图:销量及增长率（2017-2027） 表:销量及增长率变化趋势（2017-2027） 图:销量及增长率（2017-2027） 图:中国市场导波雷达液位变送器下游行业分布（2020-2021） 表:销量及增长率变化趋势（2017-2027） 图:销量及增长率（2017-2027） 表:销量及增长率变化趋势（2017-2027） 图:销量及增长率（2017-2027） 表:导波雷达液位变送器产能、产量、产能利用率（2017-2027） 图:导波雷达液位变送器产能、产量、产能利用率（2017-2027） 图:各类型导波雷达液位变送器产量（2017-2027） 图:各类型导波雷达液位变送器产量占比（2017-2027） 表:导波雷达液位变送器主要生产商销量（2019-2021） 表:导波雷达液位变送器主要生产商销量占比（2019-2021） 图:导波雷达液位变送器主要生产商销量占比（2020-2021） 表:主要生产商导波雷达液位变送器销售额（2019-2021） 表:主要生产商导波雷达液位变送器销售额占比（2019-2021） 图:主要生产商导波雷达液位变送器销售额占比（2020-2021） 表:主要地区导波雷达液位变送器产量占比（2017-2027） 图:主要地区导波雷达液位变送器产量占比（2017-2027） 表:美国市场导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 图:美国导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 表:欧洲市场导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 图:欧洲导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 表:日本市场导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 图:日本导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 表:东南亚市场导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 图:东南亚导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 表:印度市场导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 图:印度导波雷达液位变送器产量及增长率（2017-2027） 表:主要地区导波雷达液位变送器销量占比 图:主要地区导波雷达液位变送器销量占比 表:美国市场导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 图:美国导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 表:美国市场导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 图:美国导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 表:欧洲市场导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 图:欧洲导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 表:欧洲市场导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 图:欧洲导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 表:日本市场导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 图:日本导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 表:日本市场导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 图:日本导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 表:东南亚市场导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 图:东南亚导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 表:东南亚市场导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 图:东南亚导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 表:印度市场导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 图:印度导波雷达液位变送器销量及增长率（2017-2027） 表:印度市场导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 图:印度导波雷达液位变送器销售额及增长率（2017-2027） 表:导波雷达液位变送器产能、产量、产能利用率（2017-2027） 图:中国导波雷达液位变送器产能、产量、产能利用率及发展趋势（2017-2027） 图:中国各类型导波雷达液位变送器产量（2017-2027） 图:中国各类型导波雷达液位变送器产量占比（2017-2027） 表:中国市场导波雷达液位变送器主要生产商销量（2016-2020） 图:中国市场导波雷达液位变送器主要生产商销量占比 （2020-2021） 表:中国市场导波雷达液位变送器主要生产商销量占比（2020-2021） 图:中国市场导波雷达液位变送器主要生产商销售额占比 （2020-2021） 表:中国主要导波雷达液位变送器生产商产品价格及市场占比 2021 表:中国导波雷达液位变送器销量Top5厂商销量占比 （2016-2020） 表:中国导波雷达液位变送器市场进出口量（2017-2027） 表:Siemens 导波雷达液位变送器企业概况 表:Siemens 导波雷达液位变送器产品介绍 表:Siemens 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021） 表:CRPTankSpecialties 导波雷达液位变送器企业概况 表:CRPTankSpecialties 导波雷达液位变送器产品介绍 表:CRPTankSpecialties 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021） 表:Krohne 导波雷达液位变送器企业概况 表:Krohne 导波雷达液位变送器产品介绍 表:Krohne 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021） 表:SchneiderElectric 导波雷达液位变送器企业概况 表:SchneiderElectric 导波雷达液位变送器产品介绍 表:SchneiderElectric 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021） 表:AmetekDrexelbrook 导波雷达液位变送器企业概况 表:AmetekDrexelbrook 导波雷达液位变送器产品介绍 表:AmetekDrexelbrook 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021） 表:BlissAnand 导波雷达液位变送器企业概况 表:BlissAnand 导波雷达液位变送器产品介绍 表:BlissAnand 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021） 表:UWT 导波雷达液位变送器企业概况 表:UWT 导波雷达液位变送器产品介绍 表:UWT 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021） 表:Sitron 导波雷达液位变送器企业概况 表:Sitron 导波雷达液位变送器产品介绍 表:Sitron 导波雷达液位变送器销量、销售额及价格（2017-2021）
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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，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。
1、液位传感器测量原理
导波雷达液位传感器利用时差实现液位测量，运用TDR(时域反射)原理，通过探头反射波和液位反射波之间的时间差来测量液位。
导波雷达液位传感器采用发射-反射-接收的方式，首先发射一个高频电磁波，电磁波会沿同轴线缆传播到法兰处，产生一个回波(顶部回波);然后电磁波继续沿导波杆传播，当电磁波碰到液面后，由于介电常数发生突变，会产生另一个回波(物位回波)，两个反射波都被设备接收。通过检测出的两个回波的时间差，即可计算出液面高度。
顶部回波和物位回波的时间差一般在10ns以内，若通过直接测量时间差来计算液位，则达到毫米级别的精度所需的时间测量精度以及采样、处理的速度要达到皮秒量级。数字计数或实时采样等传统时间测量方式很难达到如此高的要求，为此采用等效时间采样的方法。
等效时间采样是指对频率很高的周期性或者准周期性被采样信号，以较慢的采样频率捕获被采样信号的样本，然后按照一定规律重新组合，得到与原信号相似的波形，从而实现通过较低的实时采样速率获得较高的等效采样速率。对乏燃料池的液位来说，毫秒级别内的液位变化是很小的，所以可以将乏燃料池的液位回波信号看为准周期性重复信号，也就适用于等效时间采样法。
2、液位变送器工作原理
液位变送器的主要功能是产生雷达波，并对返回的雷达波进行分析处理，得到液位数据并将其变送为4~20mA信号。脉冲发射控制电路以440kHz左右的频率发射脉冲波，脉冲波通过同轴线缆向外传输，经过法兰和液面时，各返回一个回波。脉冲采样控制电路会按照等效时间采样原理，以每个周期加ΔT的间隔控制高速采样门的开启，实现对回波信号的采样，通过放大电路对信号进行放大，得到液位信息。液位信息经4~20mA变送模块转换为供电回路的电流值，此电流值与液位高度保持线性关系。LOOP供电处理模块负责为整个系统提供电能，整个系统耗电流低于3.5mA。
由以上描述可知，变送器的采样密度是由ΔT决定的，ΔT的时间长短和度直接决定了液位信息的分辨率和精度。因此，变送器的核心部件是脉冲发射、接收时间差校准模块，此模块的采样精度决定了液位测量回路的精度。
特殊工况定制解决方案
高温熔体（>400℃）测量采用水冷法兰（流量2m³/h），波导延伸管耐温800℃。强粘附性介质使用自清洁天线，维护周期延长至6个月。卫生型设计符合3A标准，Tri-Clamp接口表面粗糙度Ra<0.8μm。最新蓝宝石透波窗口可测ε<1.4介质。
导波雷达液位计主要由雷达变送器、过程密封件和导波杆三部分组成。表头内部安装雷达变送器，采用一次压铸成型的双室结构，带LCD显示，大多数情况下可以向任意方向旋转，便于现场观察。根据不同的环境条件选择相应表头材质，常规条件下可以选择聚氨酯涂层，沿海地区可以考虑316ss等耐腐蚀性不锈钢。导波杆共分为两 类五种，即硬杆类，包括同轴、单杆和双杆三种;软缆类，包括单缆和双缆两种。
导波雷达液位计配备不同的探头，以满足各种应用要求。硬杆类导波雷达液位计测量范围较小，制造商推荐可选范围一般在0~6m，而软缆类导波雷达液位计测量范围较大，制造商推荐可选范围通常在0~50m内，甚至可以达到80m，所以导波杆长度可根据测量要求，自由定制选择。
硬杆类中的单杆式探头能量传输效率较低，外界干扰敏感，是受物体接近程度影响较大的探头，应避免靠近干扰物安装，如设备内壁或容器内构件等。适合测量小量程的液体和粉末状或小颗粒固体料位。
同轴式探头能量集中在小口径的金属管内，能量传输效率高，不受液面湍动的影响，抗干扰能力强，安装空间要求低，可以近容器内金属构件安装或者与其他物位仪表装在同一旁通管内，且不会相互影响。其结构特点决定了其更适用于低黏度的清洁介质，介电常数液体或界位测量，而在挂料和结晶的应用场合容易产生测量误差，因此不适用高黏度的、易挂料、易结垢的场合的物位测量，如重油型加工处理装置中的原料罐、地下污油罐等。
软缆类中的单缆式探头底部配有重锤，主要用于测量大量程的液体和固体料位。硬杆类型中的双杆、软缆类型中的双缆与单杆、单缆相比，增加为平行双探头，导波雷达液位计能量集中在两个探头之间，测量能力，抗干扰、抗黏附能力高于单探头，灵敏度低于同轴探头。
测量原理 通过浸入过程介质的导波杆引导低功率、纳秒级微波脉冲，进行液位物位测量。当微波脉冲抵达具有不同介电常数的介质时，部分能量被反射回变送器。 变送器利用次反射的余波测量界面位置。在上层产品表面未被反射的部分微波继续向下直达下层产品表面然后也被反射回来。其波速取决于上层产品的介电常数。发射脉冲与反射脉冲之间的时间差被换算成距离，由此计算出总体液位或界面位置。反射强度取决于被测产品的介电常数。介电常数值越高，反射强度越大。
导波雷达技术的优势高度、的直接液位测量，无需对变化的过程条件（如密度、导电性、粘度、pH、温度和压力）进行补偿。无活动部件、无需重新标定，将维护工作减到少适用于蒸汽、粉尘、湍流和泡沫工况适用于几何形状复杂或存在干扰物的小型储罐，而且不受旁通管机械设计的影响由上而下的安装方式可大程度地降低泄漏风险
高度的应用灵活性
5300 系列的特性能更优，适用于更多应用；适用于大多数液体和固体的液位/物位应用，以及液体界面位置测量应用；实现多方面，其中包括过程容器、控制和，即使是具挑战性的应用场合也能妥善处理，十分；可广泛选择材料、过程连接件、导波杆类型和配件；通过多种选项，您可以找到适合现有旁通管的产品或带有罗斯蒙特 9901 高品质旁通管的完整组件；动态蒸汽补偿选项自动对蒸汽空间介电常数的变化进行补偿。
佳性能与正常运行时间的直接切换技术 (DST) 与导波杆末端探测 (PEP) 可提高测量能力和性；能够将单管导波杆用于长测量范围、障碍物和低介电常数场合，确保在更多应用（如粘性介质）中具有性；对于具有挑战性的应用场合（如塑料颗粒和易沸腾的烃类产品），导波杆末端探测提供备份功能；智能电流接口具有更稳定的微波和 EMI 性能，可使外部干扰造成的影响小。
设计坚固，性高无与伦比的重型导波杆解决方案具有多层保护，可用于端温度和端压力；回波逻辑和智能软件功能具有更佳的能力，可跟踪表面，检测整个容器的状况；防溢罐保护和集成系统 SIL3 适用性均经过第三方认；电子部件和电缆连接位于单独的隔室中，操作更，并且更能受潮；带有验反射器，可轻松验变送器，检测高液位条件；
技术规格液体和半液体液位，和/ 或液体/ 液体界面，或固体物位；5301 型用于液位或全浸没界面测量；5302 型用于液位和界面测量；5303 型用于固体物位测量；微波输出功率额定 300 μW，大 45 mW；湿度0 - 100％ 相对湿度；启动时间小于 40 秒；输出:两线制， 4—20 mA。将数字过程变量叠加在 4-20 mA 信号上，符合 HART 协议的主机都可调用。HART 信号可用于多站模式。