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08/17/2017
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不同频率雷达物位仪的选型与应用
113GHz --- 为您所用
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08/17/2017
2017年雷达物位测量技术研讨会
主要内容
• 雷达物位测量基础理论
• 1GHz 导波雷达优势应用及选型
• 6GHz 低频雷达优势应用及选型
• 26GHz 高频雷达优势应用及选型
• 80GHz 超高频雷达优势应用及选型
• 总结
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2017年雷达物位测量技术研讨会
雷达物位测量基础原理
• 雷达Radar 是无线电检测与测距Radio Detection and Ranging的简称
• 无线电是指自由空间传播的电磁波
• 1888年德国人赫兹用实验证明了电磁波的存在,而一战的发生推动了
雷达定位/测距技术的飞速发展。
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2017年雷达物位测量技术研讨会
雷达物位测量基础原理
• 通过天线发射电磁波,电磁波在被测物体表面被反
射并被同一天线接收,通过计算电磁波信号从发射
到被接受之间的行程时间 t,可以计算出天线到被
测物体的距离d。
• 雷达物位测量原理也被称为行程时间(TOF)原理,
ToF是Time of Flight的缩写。对于导波雷达而言,
是基于电磁波沿着导波杆传播的行程时间测量原理。
• 物位L则是通过总高E减去距离d得出,所以雷达物
位仪在使用前都要输入总高E
介质
2
tvd
L
E
2
tvEL
dEL
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• 电磁波传播&反射特性
• 电磁波在真空中传播的速度等于光速
• 电磁波在不同介质中的传播速度不同,受介质介电常数影响
• 电磁波的速度=波长*频率(频率越高,则波长越小)
• 频率越高,电磁波能量越高,波长越短,散射现象越明显;反之能量越低,
波长越长,能量不容易被气相层吸收。
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雷达物位测量与电磁波频率的关系
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雷达工作原理——电磁波
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雷达 物位仪
Microwave frequency bands
Letter Designation Frequency range
L band 1 to 2 GHz
S band 2 to 4 GHz
C band 4 to 8 GHz
X band 8 to 12 GHz
Ku band 12 to 18 GHz
K band 18 to 26.5 GHz
Ka band 26.5 to 40 GHz
Q band 33 to 50 GHz
U band 40 to 60 GHz
V band 50 to 75 GHz
E band 60 to 90 GHz
W band 75 to 110 GHz
F band 90 to 140 GHz
D band 110 to 170 GHz
上表中蓝色标记波段为已经应用到雷达物位仪的波段
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不同频率的雷达物位仪
L-band C-band K-band W-band
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这些物位检测难题您是否碰到过?
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冷凝/黏附/结晶
搅拌
含乳化层界面
强挥发
腐蚀
高温高压。。。
低介电常数
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高温高压的工况如何选择?
• 电厂高压加热器水位测量
• 介质:水/蒸汽
• 温度:350℃
• 压力:8MPa
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1GHz导波雷达 最高耐温:450 ℃ 最高耐压:400 bar
FMP54
• 旁通管应用 • 有效穿透蒸汽层 • 耐高温高压 • 克服气相层对电磁
波传播速度的影响
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如何承受如此高的过程温度和 压力?
2017年雷达物位测量技术研讨会
用Al2O3和Kalrez
密封圈保护气密馈通
第二道防护
玻璃气密馈通
第一道防护
陶瓷及石墨密封
探头
全焊接结构
用氦测气密性的孔
螺丝与焊接密封 陶瓷填充
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如何克服气相层对电磁波传播速度的影响? • 电磁波在高压的蒸汽或其他极性气体中传播的速度会降低。
• 极性分子介质 (水, 氨) 气相层的介电常数在高温高压条件下会发生改变。
• 如果不进行补偿,那么产品测量出来的液位就会比实际液位低。
gas-phase
liquid
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分子式 描述 举例
极性分
子
AB 线性分子 CO
HAx 末端带带氢原子的分子 HCl
AxOH 末端带带氢氧根的分子 C2H5OH
OxAy 末端带氧原子的分子 H2O
NxAy 末端带氮原子的分子 NH3
非极性
分子
Ax 单元素气体分子 O2
CxAy 大多数碳化合物 CO2
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高温高压下的测量误差
怎么办?
测量范围1m 温度:300度 压力:100bar 相对误差近20%,绝对误差=1000mm×20%=200mm
怎么办?
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E+H 发明的GPC动态气相补偿技术应运而生!
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GPC动态气相补偿是如何实现的?
• 在测量范围内生成一个参考信号:
特殊延伸杆 (参考段) 直径稍大于导杆(缆)
参考段长度 Dref=300/550mm
• 参考信号和液位信号一样会随着气相层的影响而偏
移,偏移量能够被计算出来,并用来修正真实液位
回波的距离
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GPC气相动态补偿(专利号:US20090302867)
参考段长度
实际物位距离 L
气相层 被测液体
受压下的回波曲线
常压下的回波曲线
Lref
参考段回波距离 Lref’
Lref
Lref’
L =
L’
测量的回波距离L’
Lref
Lref’
L= • L’
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为什么通过输入温度和压力值来补偿效果不佳?
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前提条件…
参考反射
…使用同轴探头 ... 安装于旁通管或导波管中
参考信号被可靠地评估,仅当…
… dREF + 150mm 安全距离 被保证
>1
50
mm
(6
inch
)
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界面测量工况如何选择?
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清晰的界面
总液位信号
界面信号
1GHz导波雷达
传统导波雷达表现如何?
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2017年雷达物位测量技术研讨会
1GHz导波雷达
当乳化层出现时 会发生什么? 界面信号变得非常微弱! 很容易发生失波现象 该如何解决这一问题?
乳化层 界面信号
总液位信号
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硫磺回收装置富液缓冲罐 工况信息:
• 常温常压
• 上层介质:污油
• 下层介质:甲基二乙醇胺溶液
• 罐高:7m
• 安装位置:罐顶
• 原使用产品:某传统导波雷达
使用问题:
• 现场无规律波动
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蓝线:总液位
红线:界面
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FMP55现场测量效果,完美解决客户问题
• 红色代表界面,蓝色代表液位
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FMP55是如何实现对乳化层界面测量的?
革命性仪表——FMP55融合传感器(SensorFusion)
融合了导波雷达和电容物位计两种传感器,即使有乳化层也可测量分界面
FMP55有什么优势呢?
• 即使一个回波丢失(由于乳化层),仪表仍可以
分别测出液面和分界面高度(此时仪表自动切换到
电容模式)
• 可自动计算上层介质的介电常数值(即时上层介
质介电常数变化也能准确测量)
• 可同时测量总液位高度和界面
• 可测量上部高介电常数和下部低介电常数介质的
界面(水和CS2)
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1GHZ导波雷达其他优势应用--- 含泡沫介质/低介电常数介质
其他优势应用:
• 泡沫检测
• 测量介电常数小的介质物位(塑料粉末/液
氮/LNG等)--- EOP 专利技术(专利号:
WO 03016835)
Lower Limit
不足: • 接触式测量(受安装空间限制/粘性特
别强无法测量) • 安装相对较复杂(底部/侧面固定等)
信号强度随泡沫层的增厚而减小
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2017年雷达物位测量技术研讨会
大量蒸汽的非接触式测量工况如何选择?
• 典型应用
• 地坑石灰浆液位测量(有冷凝水)
• 其他优势应用
• 导波管测量(对导波管要求相对较低,平面天
线效果更好)
• 高温高压含水介质的非接触式液位测量
(FMR54)
• 应用限制
• 过程级精度仅6mm
• 发射角相对较大,不适合空间狭小的安装条件
• 量程最大仅20m
6GHz低频雷达 有效穿透蒸汽 FMR53
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2017年雷达物位测量技术研讨会
还有一大波具有挑战的工况如何选择?
冷凝/黏附/粉尘 搅拌过程罐 腐蚀/渗透
储罐 远距离无线操作
26GHz 适用90%的工况!
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26GHz雷达适用90%的现场
• 较高的能量
• 较好的穿透能力
• 多样化的天线和结构设计
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• 动态算法(抗干扰)
专利号:US7819002
• Heartbeat心跳技术 +
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有一种干扰叫“多次回波”
• 空标:39m
• 距离D;21.98m
• 液位L:17.02m
• 空标附近出现大的
二次回波,当液位超过18m
时,强度与一次回波接近
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2017年雷达物位测量技术研讨会
传统算法在多次回波干扰下的问题
• 液位超过18m就会频繁出现液位值跳变到1m现象。 • 控制系统设置的液位低于3m连锁停车。
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动态算法克服多次回波干扰
• 动态算法的运用很好地解决了客户现场的波动问题!
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动态算法是如何实现的(专利号:US7819002)
• 也称为多重 回波 矢量追踪算法(同时追踪多达20条回波)
内置算法包括:
•静态算法(核心是比较回波强度) •动态算法(加入短期历史和长期历史) 算法的调用通过以下方式实现: •History off无历史信息 (静态算法) •Short time history结合短期历史--- 矢量信息 (静态+动态算法) •Long time history 结合长期历史信息---轨迹 (静态+动态算法+历史轨迹追踪算法)
动态算法
设备启动
静态算法
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08/17/2017
多次回波识别技术动态算法
Empty (Tank Height)
Track 1
Track 2
Track 1
Track 2
Multiple Echo
Level
Empty (Tank Height)
FMR5x
Track 1为真实液位: • Track 1 < Track 2 • Track 1 在量程范围内 • Track 2 位于量程范围之外! Track 1 为正确的液位回波信号.
Track 2 为多重回波 • Track 2 为Track 1两倍的距离 • Track 2 的改变速度为Track 1改变
速度的两倍 • Track 1和 Track 2的行进方向一致 Track 2 在测量范围内为多重回波
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由于该动画无法在网页展示 请课后查看动态算法视频
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干扰回波识别技术动态算法
Empty (Tank Height)
Track 1
Track 2
Track 1
Track 3
Distortion
Level
Empty (Tank Height)
Tank bottom
Obstacle
FMR5x
Track 1为真实液位信号: • 当真实液位没有达到干扰位置时,
Track 3 的位置保持恒定! • Track 1 和Track 3 均处于测量范
围内。 • Track 1的运动方向和 Track 2 以
及 Track 3 的运动方向保持反向。 Track 1 为正确的液位回波信号. Track 3 为干扰信号
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油
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由于该动画无法在网页展示 请课后查看动态算法视频
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动态算法同样可克服多重搅拌造成的干扰 • 介质: 磷酸、碳酸钙、石灰乳等
• 操作温度: 35-65℃
• 操作压力:常压
• 搅拌速度:80r/min
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如何解决腐蚀和渗透的难题?
2017年雷达物位测量技术研讨会
强酸性介质:如硫酸/硝酸/盐酸或者其混合物 渗透性介质:氨/苯/醇 酸和有机物的混合物
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08/17/2017
雷达波发射接头 气密馈通(可选)
降噪层
整体全PTFE填充
2个密封圈
卡环
FMR52 (PTFE 填充天线, 齐平安装,抗腐蚀,抗冷凝)
2017年雷达物位测量技术研讨会
天线:
• 喇叭天线 DN50, DN80, 齐平安装
• 气密馈通 (可选)
密封:
• PTFE, -40…200°C/-40…302°F
材质:
• PTFE, 316L
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08/17/2017
无线调试的现场如何应对?
基本特点: • 用于水处理或者公用工程
• 4 to 20mA / HART 输出
• 通过HART调试 也 可选蓝牙( Bluetooth® )通讯功能
• 可选数显仪RIA15 – 远程操作显示模块 • 测量范围:5m/8m/10m 或20m
• 精度:±5mm/2mm • 环境/过程温度 -40 to +80°C • 外壳材质:PVDF
• 防护等级 IP 66/68/NEMA4x/6P
• 电缆长度可至 300m
2017年雷达物位测量技术研讨会
带蓝牙调试功能的雷达FMR10/20 可通过智能手机/平板进行调试
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08/17/2017
高粉尘工况如何应对? 26GHz雷达非常适合
• 抗粉尘堵塞的吹扫口 • 脉冲式吹扫: Max. 6 bar absolute
• 持续吹扫: 200…500 mbar
2017年雷达物位测量技术研讨会
• 防尘罩 连续吹气还是间歇吹气? 仪表不能测量了再清洗还是定期清洗?
FMR56 FMR57
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08/17/2017
通过相对回波幅度监控粉尘的黏附程度
2017年雷达物位测量技术研讨会
在专家级菜单中通过四个快捷的步骤即可完成设置!
是否还有更简单的设置方法?
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08/17/2017
Heartbeat Technology™
• Diagnostic诊断( 标配)--- 不间断自我诊断,获取仪表健康信息。
• Verification验证( 可选项)--- 可按照程序向导生成测试报告,内部包含通
过第三方机构(TUV)认证的SIL Proof test 功能测试。
• Monitoring监控( 可选项)--- 监控泡沫、黏附等工况并提供报告,内置设
置向导,做到提前维护及过程优化,预防突发事件。
Heartbeat 技术 使得工厂在整个生命周期中经济、高效、安全的运行成为可能
E+H的注册商标
2017年雷达物位测量技术研讨会
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08/17/2017
2017年雷达物位测量技术研讨会
80GHZ雷达优势
• 典型优势应用
• 发射角3°/量程最大125m/精度最高1mm/适合小罐体/低介电常数/强黏附
• 应用限制
• 导波管/旁通管安装
• 波动剧烈的场合
• 高介电常数粉尘场合
6GHz
6“ 天线
发射角
23°
26GHz
3“ 天线
发射角
10°
80GHz
3“ 天线
发射角
3°
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08/17/2017
2017年雷达物位测量技术研讨会
113GHz--- “为您所用”
• 泡沫/低介电常数 • 界面测量 • 气相补偿 • 旁通管应用
• 适用于90%的应用
• 冷凝/蒸汽 • 表面波动 • 导波管应用
• 最小3°的发射角 • 最大125m的测量范围 • 最高0.5mm精度(NMR81)
各有所长!
L-band C-band K-band W-band
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08/17/2017
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谢谢您的关注和参与!
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