雷达液位计动态算法在脱硫液位测量中的应用

 

引言

         在脱硫工艺中 , 为避免石灰石浆液凝固 , 通常会在储罐底部加装搅拌装置 , 其中所涉及到的测点位置包括 : 吸收塔排水坑、制浆区排水坑、磨机浆液循环箱、 废水旋流器给料箱、 石膏浆液回流箱、石膏浆液缓冲箱和事故浆液箱等。目前工程中对于液面非接触式测量主要有超声波液位计和雷达液位计两种。但由于石灰石浆液温度较高，在仪表天线表面极易形成凝水，从而影响测量结果，根据工程经验，超声波液位计在以上测点的使用效果并不好，一般采用雷达液位计进行测量。

 

1 雷达液位计测量原理

1.1 基本测量原理

         R: 测量参考点

         E：空标

         F：满标

         D：测量距离

         L：液位（L=E-D）

 

         天线接收雷达脉冲反射信号，并将反射信号传输至仪表，仪表的微处理器进行信号分析，识别出雷达脉冲信号在物料表面的真实回波。如图 1 所示，仪表至物料表面的距离（D）与脉冲信号的运行时间（t）呈比例关系：

         空标 E 已知时，物位 L 的计算公式如下：L=E-D

 

         同时，雷达波在液体表面的反射强度还与液体的介电常数有关，液体的介电常数越大，则反射波越强，透射波越弱。

 

1.2 干扰回波的产生原因和种类

1.2.1 异物回波

         在实际测量过程中，由于雷达天线波束角的限制，实际雷达波的传播方向为扇形发散式，如罐内有异物或者当液位下降，搅拌器露出液面时，会产生强烈的异物回波，具体如图 2 所示。

1.2.2 多重回波

         当液面接近天线发射端时，由于回波强度高，反射波会在罐顶和液面形成多次反射，形成多次回波，如图3所示。

1.2.3 罐底回波

         当液面接近罐底时，由于液面变低，液体对雷达波的消耗降低，导致一部分雷达波会穿过液体表面并在罐底形成反射，进而产生底部回波，但由于石灰石浆液介电常数较高，通常不会发生底部回波的情况。如图 4 所示。

 

1.3 静态算法对于干扰回波的抑制

1.3.1 FAC（固有噪声）曲线

        雷达液位计在调试阶段，首先会在实时工况下轮巡10 ～ 20 个点，将整个罐子的固定回波绘制成一条 FAC（Floating Average Curve）曲线，在系统正常运行时，液面范围一般不会太接近底部和顶部，所以底部回波和多重回波的强度很小，一般不会超过 FAC 曲线。雷达变送器内部，将强度小于 FAC 曲线的回波统一认为是干扰回波。FAC 曲线主要是抑制小强度的底部回波和多重回波，也就是去除罐内固有的干扰杂音。一般情况下，除非液位在罐底和罐顶，否则底部回波和多重回波的强度不会超过FAC 曲线。

 

1.3.2 Mapping（特定抑制）曲线

        对于异物回波，比如雷达波碰到罐壁的挡板和焊缝等，会出现回波较大的情况，一般会超过 FAC 曲线强度。所以对于这种回波，仪表投运时，在调试阶段需在变送器内部FAC 曲线之上再单独绘制一条 Mapping 曲线。规定只有回波强度高于 Mapping 强度，才会被判断为真实回波。Mapping 曲线主要是在某个点，单独抑制异物回波的。Mapping 曲线，FAC 曲线具体如图 5 所示。

 

        黑色：Mapping 曲线

        蓝色：FAC 曲线

        红色：实际回波

        绿线：空标以外范围

 

        如图 5 所示，在异物处，实际回波的强度是大于 FAC曲线的，但是由于在此处单独做了针对此异物的 Mapping抑制，所以在此处的异物回波被抑制，并没有对实际测量造成影响。

 

1.3.3 静态算法的弊端

        静态算法对于干扰回波只有 FAC 曲线和 Mapping 曲线两种方式。在测量时，规定只有回波强度同时高于2条曲线，才会被认为是真实回波。这种静态的算法可以满足一般的工况。

 

        但在实际使用过程中，在某些特殊的情况下，还是会产生失波和跳变。

1）失波

        在图 5 中，如果液面刚刚没过异物，而且在异物附近徘徊。异物对雷达波的反射能力要高于介质本身，如果Mapping 设置不当，通常在这个位置会产生失波情况。

2）跳变

        如图 3 所示，当液面上升到距离仪表发射端很近时，由于雷达波在石灰石浆液表面反射强度较大，在经过与罐顶折射之后，回到仪表的多重回波波强也足够超过 Mapping曲线。具体可以由图 6 所示，Track1 和 Track2 都超过了mapping 曲线。由于仪表没有记录 Track1 和 Track2 的历史轨迹，所以仪表无法准确分辨出哪条是真实回波，哪条是多重回波。经常会在 2 条波之间反复选择。而 Track2 多重回波的飞行路径多于真实回波，所以时间至少是真实回波的 2 倍。

 

        根据之前提到的公式： ，仪表测量值会在 2 个液位之间反复跳变。

 

2.3 多路回波矢量跟踪动态算法

动态算法与传统的静态算法主要区别在于判定回波的方法不同：

        传统算法： 幅值比较。

        动态算法：幅值比较 + 速度矢量追踪 + 历史信息溯源。

 

        雷达仪表进行检测前，会根据工况内障碍物情况进行1 个干扰波抑制。使用传统算法仪表检测到的真实物位回波强度如果低于之前所做的 Mapping 或 FAC，干扰回波就不会被仪表识别，但在某些特殊情况下无法避免失波和跳变。

 

        而动态算法对于测量范围内的每个回波都进行标记追踪，基于大数据的分析基础，根据干扰回波运行的速度大小、方向等因素进行合理性判断，故而无论物位幅值在抑制内外，都不会失波。

 

2.3.1 动态算法对于跳变情况的解决方案

        仪表会一直记录多重回波，但由于液面较低时，如图 7 所示：多重回波的回波位置在空标值以外，仪表虽然会对其进行抑制，但所有回波的矢量数据都已经记录在数据模块中，具体如图 7 所示。其中，Track1 为真实回波，Track2为多重回波；黑线为Mapping曲线，蓝线为FAC曲线，红线为回波曲线，绿线为空标范围外。

 

        当液面升高，多重回波进入测量范围内，如图 8 所示。由于 Track2 的运行速度一直是 Track1 的 2 倍以上（经过至少 2 次反射），根据此特点，仪表可以进行真实回波和多重回波的判断，有效的去除多重回波的干扰。

 

2.3.2 动态算法对于失波情况的解决方案

        当液面在异物以下时，雷达液位计的波形如图9所示，其中 Track1 为真实回波，Track2 为异物回波，调试时，也一样要在此处进行 Mapping 抑制。

 

        当液面上升时，Track1 曲线会随液面向左移动，而Track2曲线会保持不动。也就是说，虽然对Track2做了抑制，但还是时时的记录 Track2 的波形，并分析每个检测到的波的运动轨迹。由于 Track1 随液面波动，而 Track2 一直保持不变，根据大数据的分析之后，算法会将 Track2 归类为异物回波，将 Track1 归类为真实回波。当出现真实回波和异物回波重叠时，即使 Track1 的强度也是在 Mapping 以下，但仪表依旧会将 Track1 进行强行读取，而不会像静态算法那样，将 Trcak1 进行 Mapping 抑制。具体如图 10 所示。总之，静态算法只是通过 FAC 方式和 Mapping 方式去除某些固定的干扰，但是对于在实际使用中，在某种情况下才会发生的特殊干扰，是没有很好的解决办法的。

 

3 现场经验反馈

        在某电厂现场，测量 25m 的液位。之前采用的微静态算法的雷达液位计，使用一段时间后，现场反馈，在 18m时测量值经常出现跳变。如图 11、图 12 所示。

 

        经现场分析，是由于雷达波在 18m 液位处，由于罐的物理结构原因，产生大量高强度多重回波，回波强度高于Mapping 和 FAC 曲线，因为多重回波的运行时间至少为真实回波的 2 倍，且静态算法无法进行智能判断，zui终导致液位计测量值不断在空标和实际液位之间进行跳变。而且跳变到液位低限后，会联动泵的动作，现场已经因此导致了多次事故。更改为具有动态算法的雷达液位计后，解决了上述问题，测量曲线变得十分平稳，没有再出现过跳变等情况。

 

4 结束语

        在静态算法中，处理多种回波的方式为发现 1 次抑制1 次，给现场人员的维护工作带来大量的不便，而对于异物干扰，是根本没有切实有效的解决方式的。归其原因是没有记录每个波形的历史轨迹，在某些特殊情况下，无法判断干扰波和真实波。

 

        而动态算法，是基于大数据处理，在静态算法的 FAC和 Mapping 基础上，对于每一路波形都进行历史轨迹的跟踪和记录，从而根据波形的矢量信息判断出波形的真实性。故动态算法特别对于异物回波有切实有效的解决方法。