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測量介質引起的非接觸式雷達液位計誤差分析

日期：2017-06-30 來源：上海核工程研究設計院電氣儀控所作者：郭廣躍

摘要:液位測量方法有很多種，其中雷達液位計以其耐磨損、耐老化性能高、測量分辨率高等優點在工業中得到了廣泛應用?，F介紹非接觸式雷達液位計的工作原理，并就介質的溫度、壓力和成分引起的非接觸式雷達液位計誤差進行重點分析，zui后根據某電廠的應用實例對非接觸式雷達液位計進行了誤差分析。

0引言

雷達液位計是利用電磁波在被測物料面上的反射及其在空間的行程時間來測量物位的，其抗干擾性能好、耐高溫高壓、耐老化性能好、安裝方便且精度高，所以應用越來越廣泛。隨著液位測量技術的發展，雷達液位計己逐漸成為主流的工業液位計之一，并廣泛應用于電力領域，對該類儀表的誤差分析，有助于研究目前雷達液位計在電廠設計中應用的合理性，并可指導電廠設計工作。

1、非接觸式雷達液位計測量原理

雷達液位計周期性地向被測物料面發射電磁波脈沖，當接收到被測物料面上反射回來的回波后，測量兩者時間差，即電磁波脈沖的行程時間，來計算物料面的距離，如圖1所示，即:

h=H-t/2(1)式中，h為液位;H為罐高;:為電磁波速度;t為電磁波脈沖從發射到接收到回波的行程時間。

雷達液位計原理示意圖

2、非接觸式雷達液位計的誤差分析

由式(1)可以看出，液位h和罐高H是固定的，電磁波脈沖時間t主要取決于液位計本身的元器件質量和回波處理軟件等，因此，引起雷達液位計誤差的主要因素是電磁波在介質中的傳播速度。

2.1電磁波的傳播速度

電磁波在真空中的傳播速度由下式給出:

QQ截圖20170630155843.jpg

式中，Go為電磁波在真空中的傳播速度，Eo為真空介電常數，Uo為真空磁導率。

介電常數E是介質的一個特性，它影響電荷相互作用力的大小，介電常數越大，兩個電荷之間的作用力越小。真空中的介電常數。0=8.854 X 10-12 F/m。某種介質的介電常數對真空介電常數的比被稱為相對介電常數Er，它是一個無量綱的參數，即:

QQ截圖20170630155758.jpg

在應用電磁波來檢測物位時，被測物料的相對介電常數一是非常重要的，它會影響到電磁波的傳播速度，對于相對介電一常數低的被測物料，部分電磁波能量將穿入物料，剩下的部分能量將從料面上反射。當介電常數Er<2時，非接觸式雷達液位計將難以實現測量。

電磁波的磁感應強度矢量對電磁波的速度影響主要體現在磁導率U，相對磁導率Ur是介質內磁導率U與真空磁導率Uo的比。就電磁波在非磁性氣體和蒸汽中的傳播速度而言，磁導率的影響微不足道，而與相對介電常數相比，它對電磁波的反射也沒有實質的影響。對于在被測物料上方的非磁性氣體，其相對磁導率Ur=1。

由于不同介質的相對介電常數不同，因此電磁波在其內的傳播速度也不一樣，某一介質中的傳播速度由下式給出:

QQ截圖20170630155822.jpg

式中，C為電磁波在介質中的傳播速度;Co為電磁波在真空中的傳播速度;Er為相對介電常數;Ur為相對磁導率。

2.2 誤差分析

對于非接觸式雷達液位計，氣相介質的溫度、壓力、氣體成分等參數變化會引起電磁波傳播速度變化，因為傳播介質的介電常數會變化，從而引起雷達液位計誤差。氣相介質的相對介電常數由下式給出:

QQ截圖20170630155843.jpg

式中，Er為氣相介質的相對介電常數;ErN為介質在標準狀態下一的相對介電常數;Tn為標準狀態下的溫度，即273 K;Pn為標準狀態下的壓力，即100 kPa ; T為過程溫度;P為過程壓力。

式((5)中，一些常用氣體在標準狀態下的相對介電常數如表1所示。

將式(5)代入式(4)中，便得到在實際工況下，電磁波在氣相介質中的傳播速度為:

公式6

常用氣體在標準狀態下的相對介電常數Er n

由式(5)和式(6)，就可以根據實際的工況條件，即氣相介質的溫度、壓力、氣體成分等參數，計算出不同氣相介質的相對介電常數和電磁波的傳播速度，從而計算出雷達液位計在實際工況條件下的誤差，同時可以單獨分析過程溫度和壓力的變化引起的誤差。

3 某電廠設計中非接觸式雷達液位計誤差分析

從某電廠設計文件的信息中可以看出，非接觸式雷達液位計主要應用在罐體和地坑中，大部分儀表的測量精度要求為士2.5%。下面以其中某系統的水箱液位測量為例，就某電廠設計中的非接觸式雷達液位計進行誤差分析。

3.1情況介紹

某系統的水箱液位測量選用非接觸式雷達液位計，當液位降至低整定值時，打開補水閥門，當液位升至高整定值時，關閉補水閥門。儀表主要數據情況如表2所示。

某系統非接觸式雷達液位計的主要數據

儀表的測量環境良好，無泡沫、粉塵、液面波動、結晶等情況，根據電廠zui終選用儀表的相關資料，采用儀表的精度可以達到士2 mm.

3.2儀表誤差分析

罐體的上部介質是氮氣，由表1中數據可以查得，氮氣在標準狀態下的相對介電常數ErN為1.000 576，過程絕對壓力P為1.134 kPa，過程溫度T為65.6 0C，即338.6 K，將以上數據代入式(5)和式((6)，得到儀表在實際工況下的相對介電常數和電磁波傳播速度:

QQ截圖20170630160352.jpg

通常雷達液位計是在標準狀態下的空氣中校準的，則校準時，介質的相對介電常數由表1可查得為1.000633，代入式(4)，可求得校準的電磁波傳播速度為:

QQ截圖20170630160358.jpg

此時儀表的精度為：

QQ截圖20170630160431.jpg

由于儀表的量程為0-0.5m，則此時的誤差可以達到：

由以上計算分析可以得出，只要供貨商能夠保證儀表本身元器件和處理軟件的質量，并保證儀表在現場正確安裝，根據實際工況條件，儀表能夠滿足其給出的士2mm的精度保證，同時儀表選型也滿足工藝要求的士2.5%精度。以上分析也證明了非接觸式雷達液位計的精度確實比較高，適用于很多精度要求高的場合。

4 結語

本文介紹了非接觸式雷達液位計的工作原理，并就介質的溫度、壓力和成分引起的非接觸式雷達液位計誤差進行了重點分析，zui后根據某電廠的應用實例對非接觸式雷達液位計進行了誤差分析，有助于研究目前雷達液位計在電廠中應用和選型的合理性。

本文的某電廠非接觸式雷達液位計誤差分析實例中，環境條件無泡沫、粉塵、液面波動、結晶等情況，因此儀表本身的工作環境條件很好，在其他雷達液位計應用場合，如果環境條件比較惡劣，或者安裝罐體和地坑的結構復雜，再或者安裝方式不當，都有可能對雷達液位計的精度產生影響，因此在后續分析中可以針對具體情況，在本文的分析方法基礎之上，考慮其他因素的影響。

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