介紹了雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理及特點(diǎn)，以及雷達(dá)液位計(jì)在精對(duì)二甲酸(PTA)裝置對(duì)二甲苯(Px)儲(chǔ)罐液位測(cè)量中的應(yīng)用，分析了雷達(dá)液位計(jì)液位測(cè)量時(shí)產(chǎn)生假液位的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。結(jié)果表明：PX儲(chǔ)罐內(nèi)蒸汽在豎直壁面上冷凝而形成17～26mm的液滴，因液滴尺寸大于雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射波波長(zhǎng)(12mm)，雷達(dá)發(fā)射波遇到液滴時(shí)產(chǎn)生反射回波．導(dǎo)致假液位的產(chǎn)生；選擇頻率為6GHz，波長(zhǎng)為50mm的低頻雷達(dá)液位計(jì)，將雷達(dá)天線(xiàn)由喇叭形改為直桿式，同時(shí)將Px儲(chǔ)罐內(nèi)溫度由16～40℃提高至30～42℃，可有效避免PX儲(chǔ)罐豎直壁面液滴產(chǎn)生的反射回波，控制雷達(dá)液位計(jì)假液位的產(chǎn)生；改進(jìn)后的雷達(dá)液位計(jì)假液位故障明顯減少，由改進(jìn)前3次／d減少到改進(jìn)后的(1—2)次／a，為PTA裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。
 
精對(duì)苯二甲酸(PTA)是一種重要的有機(jī)化工原料，主要應(yīng)用于化纖、包裝材料及建筑材料等行業(yè)，目前PTA主要采用對(duì)二甲苯(PX)空氣氧化法生產(chǎn)，包含PX氧化和TA加氫精制兩個(gè)單元¨j。胛A裝置的控制系統(tǒng)包括溫度、壓力、液位、流量等，其中液位控制非常重要。傳統(tǒng)液位測(cè)量?jī)x器有人工檢尺、浮子液位計(jì)、差壓液位計(jì)以及伺服液位計(jì)等舊1，這些液位測(cè)量?jī)x部件與介質(zhì)接觸，容易受到系統(tǒng)的溫度、壓力、介質(zhì)的影響，測(cè)量部件比較容易損壞，發(fā)生故障率較高。雷達(dá)液位計(jì)是一種非接觸式測(cè)量?jī)x表，受溫度、壓力、介質(zhì)等工況條件影響非常小∞J，且安裝、操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，適用范圍較廣。近幾年，PTA生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始逐步采用雷達(dá)液位計(jì)來(lái)替代一些傳統(tǒng)液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量。
 
600kt／aPTA裝置液位控制系統(tǒng)共有雷達(dá)液位計(jì)約30臺(tái)，可是在某些液位控制點(diǎn)，出現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量失準(zhǔn)。常見(jiàn)故障為：現(xiàn)場(chǎng)檢尺或伺服液位計(jì)指示液位平穩(wěn)，無(wú)波動(dòng)，而雷達(dá)液位計(jì)指示液位在35％～80％波動(dòng)，即產(chǎn)生假液位，假液位對(duì)工藝過(guò)程控制產(chǎn)生了不利的影響。PX是生產(chǎn)PTA的主要原料，Px儲(chǔ)罐直接與氧化反應(yīng)器相連，所以Px儲(chǔ)罐的液位控制極為重要。作者以PTA裝置Px儲(chǔ)罐液位測(cè)量為例，分析雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)生假液位的主要原因，并且提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，消除干擾因素，確保液位控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，以保證PTA裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)。
 
　　雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理及應(yīng)用工況
　　1．1雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理及特點(diǎn)雷達(dá)液位計(jì)主要由電子控制元件和天線(xiàn)組成。雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理是利用微波(電磁波)從發(fā)射到返回的時(shí)間行程來(lái)測(cè)量液位，是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新的液位測(cè)量?jī)x器。雷達(dá)液位計(jì)又分為脈沖微波雷達(dá)液位計(jì)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)。脈沖雷達(dá)液位計(jì)是通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射某一固定頻率的脈沖微波，遇到被測(cè)物料表面產(chǎn)生反射，天線(xiàn)接收到反射的回波信號(hào)并傳輸給電子線(xiàn)路，雷達(dá)系統(tǒng)識(shí)別出脈沖微波在物料表面所產(chǎn)生的回波，并根據(jù)從發(fā)射脈沖信號(hào)到反射的回波信號(hào)被接收到的時(shí)間差，計(jì)算出實(shí)際的液位。調(diào)頻雷達(dá)液位計(jì)天線(xiàn)發(fā)射的微波是頻率可以被線(xiàn)性調(diào)制的連續(xù)波，當(dāng)反射的回波被天線(xiàn)接收到時(shí)，微波頻率已經(jīng)改變，發(fā)射波與回波的頻率差正比于測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)到液面的距離，以此計(jì)算出液位高度。PTA裝置中主要采用脈沖雷達(dá)液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)用于儲(chǔ)罐液位測(cè)量的測(cè)量原理見(jiàn)圖1，

其中E表示空罐高度，F(xiàn)表示滿(mǎn)罐高度，D是雷達(dá)測(cè)量參考點(diǎn)到介質(zhì)液面的距離，L表示待測(cè)液位。雷達(dá)的電磁波在空氣中的傳播速度(c)為3X108m／s，若雷達(dá)液位計(jì)從發(fā)射信號(hào)到接收從液面反射的回波信號(hào)的時(shí)間差為t，則有：
　　D=0.5ct(1)
　　由E和D可以計(jì)算出L，見(jiàn)式(2)：
　　L=E-0.5ct(2)
　　根據(jù)電磁波的傳播原理，電磁波在空氣中的c是一定的，與大氣壓力、溫度無(wú)關(guān)，不受測(cè)量空氣環(huán)境影響；并且電磁波的c、頻率(，)以及波長(zhǎng)(A)存在下列關(guān)系：c=Af(3)
　　因此，雷達(dá)發(fā)出的微波廠(chǎng)不同時(shí)，其A是不同的，越高的微波其A越短。
雷達(dá)液位計(jì)的主要特點(diǎn)是：采用微波測(cè)量技術(shù)，不受測(cè)量環(huán)境的溫度、壓力以及介質(zhì)蒸氣的影響；非接觸式測(cè)量，不存在磨損問(wèn)題，也不需要太多維護(hù)；通常安裝在儲(chǔ)罐的頂部，操作簡(jiǎn)單方便，使用安全，可應(yīng)用于不同介質(zhì)的液位測(cè)量。
 
　　1．2雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用于PX罐液位測(cè)量工況
PX儲(chǔ)罐原來(lái)采用的雷達(dá)液位計(jì)為西門(mén)子si．transLR-250型，屬于2線(xiàn)制高頻型脈沖雷達(dá)液位計(jì)，工作頻率為25GHz，功率為5w，適用溫度為一20—200℃，適用壓力0—3MPa，采用喇叭形天線(xiàn)，*大量程為20m，測(cè)量精度為3lnnl。SitransLR-250型雷達(dá)液位計(jì)可以連續(xù)測(cè)量?jī)?chǔ)罐中的液體或漿料的液位，可以適用于高溫高壓，容易產(chǎn)生蒸氣的液體，以及較低介電常數(shù)物料的液位測(cè)量，并且對(duì)于容器內(nèi)的障礙物不敏感。儲(chǔ)罐中PX的物性參數(shù)：冷凝點(diǎn)為138．3℃，凝固點(diǎn)為13．3℃，介電常數(shù)為2．5。罐內(nèi)溫度16—40℃，壓力為常壓，罐外環(huán)境溫度一8—40℃。
 
SitransLR-250型雷達(dá)液位計(jì)在剛開(kāi)始使用的前半年，出現(xiàn)測(cè)量誤差的概率較低，隨著使用時(shí)間漸長(zhǎng)，開(kāi)始出現(xiàn)測(cè)量誤差。例如，在測(cè)量PX儲(chǔ)罐液位時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量顯示液位較高(假液位)，而同時(shí)采用伺服式液位計(jì)(接觸式)測(cè)量的液位卻較低，假液位故障嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致PX料打不出來(lái)，并造成氧化反應(yīng)器連鎖停止進(jìn)料，直接影響到生產(chǎn)。尤其在冬季當(dāng)儲(chǔ)罐外環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)顯示假液位故障率很高，從每周1～3次到每天1次，*后到每天3次，*終不能使用。
 
　　2雷達(dá)液位計(jì)假液位產(chǎn)生的原因及理論分析
　　2．1雷達(dá)液位計(jì)假液位產(chǎn)生的原因?qū)τ赑X儲(chǔ)罐，雷達(dá)液位計(jì)假液位故障出現(xiàn)后，對(duì)雷達(dá)液位計(jì)波的發(fā)射和回波接收單元、以及電子控制元件進(jìn)行檢查都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，但是，檢查完畢重新投用雷達(dá)液位計(jì)，液位波動(dòng)(假液位)現(xiàn)象依然存在。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)的喇叭天線(xiàn)內(nèi)表面存在許多小液滴，PX儲(chǔ)罐內(nèi)壁上也有大小不等的許多液滴。
由于PX儲(chǔ)罐內(nèi)正常溫度16—40℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PX的冷凝點(diǎn)138．3oC，儲(chǔ)罐內(nèi)的PX蒸氣會(huì)在罐內(nèi)較冷的豎直壁面上凝結(jié)成液體，如果冷凝液體不能完全濕潤(rùn)壁面，就會(huì)附在豎直壁面形成許多小液滴。蒸氣的不斷冷凝和液滴間的相互聚合，使得壁面上的小液滴越來(lái)越大，直至受到重力作用，液滴無(wú)法繼續(xù)附著在壁面上而向下滾落，并重復(fù)產(chǎn)生液滴的形成、變大和脫落的過(guò)程。經(jīng)初步分析，造成雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)測(cè)量誤差的主要原因就是豎直壁面上的液滴。雷達(dá)液位計(jì)發(fā)出的脈沖信號(hào)在遇到壁面上的液滴后，會(huì)產(chǎn)生反射回波，由于是同一液體介質(zhì)產(chǎn)生的回波，在雷達(dá)液位計(jì)處理系統(tǒng)中無(wú)法進(jìn)行區(qū)分，于是就產(chǎn)生了假液位。
 
　　2．2豎直壁面上液滴的臨界尺寸
　　假設(shè)液體儲(chǔ)罐內(nèi)蒸氣在豎直壁面冷凝，形成一個(gè)球冠形液滴，如圖2所示，M點(diǎn)為液滴質(zhì)心，液滴受到的作用力主要為向上的粘附力(F)，及向下的重力(G)，液體的表面張力(盯)方向線(xiàn)與固體壁面之間的夾角稱(chēng)為接觸角(0)。從表面熱力學(xué)角度來(lái)看，蒸氣冷凝產(chǎn)生的液滴附著在冷的豎直壁面上是一種粘附現(xiàn)象，液滴從豎壁上脫落需要在G的作用下克服F才可以。當(dāng)液滴半徑較小時(shí)，重力矩也小，不足以破壞粘附；當(dāng)液滴半徑增大到超過(guò)臨界半徑即脫落半徑(r)時(shí)，液滴會(huì)從壁面向下滾落。對(duì)豎壁上液滴進(jìn)行受力分析，并通過(guò)力矩平衡可以推導(dǎo)出液滴的r。由圖2可知，球冠形液滴的高度(h)可按式(4)計(jì)算：
　
　　從表1可以看出：在溫度30℃、0為60。時(shí)，液滴r近似為10mm，液滴d為17mm；在保持溫度和其他條件不變時(shí)，隨著0的變小，液滴r變大，d同時(shí)也變大，當(dāng)0為45。時(shí)，液滴d達(dá)25mm；當(dāng)溫度由30℃降到20℃時(shí)，液滴r，d都變大，但變化幅度不大。
根據(jù)電磁波在空氣中的傳播原理，電磁波在傳播過(guò)程中，如果遇到的障礙物尺寸小于或等于其A，就能夠發(fā)生衍射繞過(guò)障礙物，并且電磁波A越長(zhǎng)，衍射能力越強(qiáng)；反之，如果電磁波遇到的障礙物尺寸大于其A，就會(huì)產(chǎn)生反射回波。SitransLR-250型雷達(dá)液位計(jì)(．廠(chǎng)為25GHz)發(fā)出的高頻電磁波，A只有12mm，由表1可知，PX儲(chǔ)罐產(chǎn)生的液滴的d為17—26mill，液滴的d遠(yuǎn)大于雷達(dá)發(fā)射的A，因此，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射波遇到粘附在豎直壁面上液滴時(shí)，必然產(chǎn)生反射回波，導(dǎo)致假液位，出現(xiàn)較大測(cè)量誤差。3雷達(dá)液位計(jì)假液位控制措施及效果根據(jù)上述分析，雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)生假液位故障的主要原因是雷達(dá)發(fā)射波的A小于豎壁面上液滴的d，發(fā)射波遇到豎壁面上的液滴而產(chǎn)生反射回波，導(dǎo)致虛假液位。為此提出以下控制措施來(lái)解決假液位問(wèn)題：
 
　　(1)降低脈沖雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射波的頻率。根據(jù)電磁波的c與A及，的關(guān)系，降低發(fā)射波的，，即增大A。只有當(dāng)A大于d時(shí)，電磁波可以繞開(kāi)液滴，發(fā)生衍射。脈沖雷達(dá)液位計(jì)按頻率通常分為低頻段(6GHz)、中頻段(10GHz)、高頻段(25GHz)，選用．廠(chǎng)為6GHz(A為50mm)的低頻雷達(dá)液位計(jì)，其A遠(yuǎn)大于PX儲(chǔ)罐正常存在的液滴d(17—26mm)，這樣，雷達(dá)發(fā)射波可以很好地繞過(guò)儲(chǔ)罐豎壁上的液滴，不產(chǎn)生反射回波，避免假液位的產(chǎn)生。
 
(2)改變雷達(dá)液位計(jì)天線(xiàn)形式。原來(lái)采用的雷達(dá)天線(xiàn)為喇叭形，PX罐液滴易粘附在天線(xiàn)的內(nèi)表面，對(duì)雷達(dá)液位測(cè)量形成“干擾”，導(dǎo)致假液位產(chǎn)生。將雷達(dá)天線(xiàn)由喇叭形改為直桿式天線(xiàn)，桿式天線(xiàn)直徑小、表面積小，如果有液滴粘附在其上面，只能形成很細(xì)小液滴，這些細(xì)小液滴不足以對(duì)雷達(dá)液位測(cè)量形成“干擾”。因此，直桿式天線(xiàn)比較適用于易產(chǎn)生冷凝液的應(yīng)用工況。
 
(3)適當(dāng)提高測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)溫度。由于PX儲(chǔ)罐內(nèi)正常溫度16—40℃，遠(yuǎn)低于PX的冷凝點(diǎn)138．3℃，所以，儲(chǔ)罐內(nèi)總是會(huì)有PX蒸氣在冷的豎壁面上凝結(jié)成液滴，尤其是在冬季，PX蒸氣的冷凝現(xiàn)象更加明顯；適當(dāng)給儲(chǔ)罐加熱，保持儲(chǔ)罐內(nèi)溫度在30—42℃，可以減少PX蒸氣在豎壁面上的冷凝，從而減少反射回波、假液位的產(chǎn)生。
 
(4)定期檢查維護(hù)雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)的檢查維護(hù)主要是看電源電壓和輸出電流是否正常；另外定期檢查雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射天線(xiàn)上是否有液滴或臟污，必要時(shí)拆下液位計(jì)，用干凈柔軟棉布擦干凈天線(xiàn)和其他部位。
 
通過(guò)采取上述控制措施，即選擇，為6GHz的雷達(dá)液位計(jì)，將雷達(dá)天線(xiàn)由喇叭形改為直桿式，適當(dāng)提高測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)溫度，定期檢查雷達(dá)液位計(jì)電路系統(tǒng)和擦拭天線(xiàn)等，大大減少了儲(chǔ)罐豎壁上的液滴產(chǎn)生的反射回波，控制了雷達(dá)液位計(jì)假液位的產(chǎn)生。雷達(dá)液位計(jì)改進(jìn)前后的有關(guān)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。表實(shí)踐表明，改進(jìn)后的雷達(dá)液位計(jì)投用后假液位故障率明顯減少，發(fā)生的假液位故障由改進(jìn)前37欠／d減少到改進(jìn)后的(1—2)次／a，為PTA裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。


 
　　4結(jié)論
　　a．PX儲(chǔ)罐內(nèi)蒸氣在豎直壁面上冷凝而形成的液滴是造成雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)生假液位的主要原因。原來(lái)采用的高頻雷達(dá)液位計(jì)，為25GHz，發(fā)射波A只有12mm，而PX儲(chǔ)罐正常存在的液滴d為17～26mm，大于雷達(dá)發(fā)射波A，因此，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射波遇到豎直壁面上液滴時(shí)，必然產(chǎn)生反射回波，導(dǎo)致虛假液位，出現(xiàn)較大測(cè)量誤差。
 
b．通過(guò)采取控制措施，即選擇．廠(chǎng)為6GHz(A為50him)的低頻率雷達(dá)液位計(jì)，將雷達(dá)天線(xiàn)由喇叭形改為直桿式，同時(shí)將PX儲(chǔ)罐內(nèi)溫度由16～40℃提高至30—42℃，有效避免了PX儲(chǔ)罐豎直壁面上液滴產(chǎn)生的反射回波，控制了雷達(dá)液位計(jì)假液位的產(chǎn)生。
 
c．定期檢查維護(hù)雷達(dá)液位計(jì)電路系統(tǒng)和擦拭天線(xiàn)等，可以進(jìn)一步降低出現(xiàn)假液位的概率，保證雷達(dá)液位控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
 
　　d．改進(jìn)后的雷達(dá)液位計(jì)投用后假液位故障率明顯減少，發(fā)生的假液位故障由改進(jìn)前的3渺d減少到改進(jìn)后的(1～2)渺a，為PTA裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。


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