雷達液位計動態算法在脫硫液位測量中的應用

 

引言

         在脫硫工藝中 , 為避免石灰石漿液凝固 , 通常會在儲罐底部加裝攪拌裝置 , 其中所涉及到的測點位置包括 : 吸收塔排水坑、制漿區排水坑、磨機漿液循環箱、 廢水旋流器給料箱、 石膏漿液回流箱、石膏漿液緩沖箱和事故漿液箱等。目前工程中對于液面非接觸式測量主要有超聲波液位計和雷達液位計兩種。但由于石灰石漿液溫度較高，在儀表天線表面極易形成凝水，從而影響測量結果，根據工程經驗，超聲波液位計在以上測點的使用效果并不好，一般采用雷達液位計進行測量。

 

1 雷達液位計測量原理

1.1 基本測量原理

         R: 測量參考點

         E：空標

         F：滿標

         D：測量距離

         L：液位（L=E-D）

 

         天線接收雷達脈沖反射信號，并將反射信號傳輸至儀表，儀表的微處理器進行信號分析，識別出雷達脈沖信號在物料表面的真實回波。如圖 1 所示，儀表至物料表面的距離（D）與脈沖信號的運行時間（t）呈比例關系：

         空標 E 已知時，物位 L 的計算公式如下：L=E-D

 

         同時，雷達波在液體表面的反射強度還與液體的介電常數有關，液體的介電常數越大，則反射波越強，透射波越弱。

 

1.2 干擾回波的產生原因和種類

1.2.1 異物回波

         在實際測量過程中，由于雷達天線波束角的限制，實際雷達波的傳播方向為扇形發散式，如罐內有異物或者當液位下降，攪拌器露出液面時，會產生強烈的異物回波，具體如圖 2 所示。

1.2.2 多重回波

         當液面接近天線發射端時，由于回波強度高，反射波會在罐頂和液面形成多次反射，形成多次回波，如圖3所示。

1.2.3 罐底回波

         當液面接近罐底時，由于液面變低，液體對雷達波的消耗降低，導致一部分雷達波會穿過液體表面并在罐底形成反射，進而產生底部回波，但由于石灰石漿液介電常數較高，通常不會發生底部回波的情況。如圖 4 所示。

 

1.3 靜態算法對于干擾回波的抑制

1.3.1 FAC（固有噪聲）曲線

        雷達液位計在調試階段，首先會在實時工況下輪巡10 ～ 20 個點，將整個罐子的固定回波繪制成一條 FAC（Floating Average Curve）曲線，在系統正常運行時，液面范圍一般不會太接近底部和頂部，所以底部回波和多重回波的強度很小，一般不會超過 FAC 曲線。雷達變送器內部，將強度小于 FAC 曲線的回波統一認為是干擾回波。FAC 曲線主要是抑制小強度的底部回波和多重回波，也就是去除罐內固有的干擾雜音。一般情況下，除非液位在罐底和罐頂，否則底部回波和多重回波的強度不會超過FAC 曲線。

 

1.3.2 Mapping（特定抑制）曲線

        對于異物回波，比如雷達波碰到罐壁的擋板和焊縫等，會出現回波較大的情況，一般會超過 FAC 曲線強度。所以對于這種回波，儀表投運時，在調試階段需在變送器內部FAC 曲線之上再單獨繪制一條 Mapping 曲線。規定只有回波強度高于 Mapping 強度，才會被判斷為真實回波。Mapping 曲線主要是在某個點，單獨抑制異物回波的。Mapping 曲線，FAC 曲線具體如圖 5 所示。

 

        黑色：Mapping 曲線

        藍色：FAC 曲線

        紅色：實際回波

        綠線：空標以外范圍

 

        如圖 5 所示，在異物處，實際回波的強度是大于 FAC曲線的，但是由于在此處單獨做了針對此異物的 Mapping抑制，所以在此處的異物回波被抑制，并沒有對實際測量造成影響。

 

1.3.3 靜態算法的弊端

        靜態算法對于干擾回波只有 FAC 曲線和 Mapping 曲線兩種方式。在測量時，規定只有回波強度同時高于2條曲線，才會被認為是真實回波。這種靜態的算法可以滿足一般的工況。

 

        但在實際使用過程中，在某些特殊的情況下，還是會產生失波和跳變。

1）失波

        在圖 5 中，如果液面剛剛沒過異物，而且在異物附近徘徊。異物對雷達波的反射能力要高于介質本身，如果Mapping 設置不當，通常在這個位置會產生失波情況。

2）跳變

        如圖 3 所示，當液面上升到距離儀表發射端很近時，由于雷達波在石灰石漿液表面反射強度較大，在經過與罐頂折射之后，回到儀表的多重回波波強也足夠超過 Mapping曲線。具體可以由圖 6 所示，Track1 和 Track2 都超過了mapping 曲線。由于儀表沒有記錄 Track1 和 Track2 的歷史軌跡，所以儀表無法準確分辨出哪條是真實回波，哪條是多重回波。經常會在 2 條波之間反復選擇。而 Track2 多重回波的飛行路徑多于真實回波，所以時間至少是真實回波的 2 倍。

 

        根據之前提到的公式： ，儀表測量值會在 2 個液位之間反復跳變。

 

2.3 多路回波矢量跟蹤動態算法

動態算法與傳統的靜態算法主要區別在于判定回波的方法不同：

        傳統算法： 幅值比較。

        動態算法：幅值比較 + 速度矢量追蹤 + 歷史信息溯源。

 

        雷達儀表進行檢測前，會根據工況內障礙物情況進行1 個干擾波抑制。使用傳統算法儀表檢測到的真實物位回波強度如果低于之前所做的 Mapping 或 FAC，干擾回波就不會被儀表識別，但在某些特殊情況下無法避免失波和跳變。

 

        而動態算法對于測量范圍內的每個回波都進行標記追蹤，基于大數據的分析基礎，根據干擾回波運行的速度大小、方向等因素進行合理性判斷，故而無論物位幅值在抑制內外，都不會失波。

 

2.3.1 動態算法對于跳變情況的解決方案

        儀表會一直記錄多重回波，但由于液面較低時，如圖 7 所示：多重回波的回波位置在空標值以外，儀表雖然會對其進行抑制，但所有回波的矢量數據都已經記錄在數據模塊中，具體如圖 7 所示。其中，Track1 為真實回波，Track2為多重回波；黑線為Mapping曲線，藍線為FAC曲線，紅線為回波曲線，綠線為空標范圍外。

 

        當液面升高，多重回波進入測量范圍內，如圖 8 所示。由于 Track2 的運行速度一直是 Track1 的 2 倍以上（經過至少 2 次反射），根據此特點，儀表可以進行真實回波和多重回波的判斷，有效的去除多重回波的干擾。

 

2.3.2 動態算法對于失波情況的解決方案

        當液面在異物以下時，雷達液位計的波形如圖9所示，其中 Track1 為真實回波，Track2 為異物回波，調試時，也一樣要在此處進行 Mapping 抑制。

 

        當液面上升時，Track1 曲線會隨液面向左移動，而Track2曲線會保持不動。也就是說，雖然對Track2做了抑制，但還是時時的記錄 Track2 的波形，并分析每個檢測到的波的運動軌跡。由于 Track1 隨液面波動，而 Track2 一直保持不變，根據大數據的分析之后，算法會將 Track2 歸類為異物回波，將 Track1 歸類為真實回波。當出現真實回波和異物回波重疊時，即使 Track1 的強度也是在 Mapping 以下，但儀表依舊會將 Track1 進行強行讀取，而不會像靜態算法那樣，將 Trcak1 進行 Mapping 抑制。具體如圖 10 所示。總之，靜態算法只是通過 FAC 方式和 Mapping 方式去除某些固定的干擾，但是對于在實際使用中，在某種情況下才會發生的特殊干擾，是沒有很好的解決辦法的。

 

3 現場經驗反饋

        在某電廠現場，測量 25m 的液位。之前采用的微靜態算法的雷達液位計，使用一段時間后，現場反饋，在 18m時測量值經常出現跳變。如圖 11、圖 12 所示。

 

        經現場分析，是由于雷達波在 18m 液位處，由于罐的物理結構原因，產生大量高強度多重回波，回波強度高于Mapping 和 FAC 曲線，因為多重回波的運行時間至少為真實回波的 2 倍，且靜態算法無法進行智能判斷，zui終導致液位計測量值不斷在空標和實際液位之間進行跳變。而且跳變到液位低限后，會聯動泵的動作，現場已經因此導致了多次事故。更改為具有動態算法的雷達液位計后，解決了上述問題，測量曲線變得十分平穩，沒有再出現過跳變等情況。

 

4 結束語

        在靜態算法中，處理多種回波的方式為發現 1 次抑制1 次，給現場人員的維護工作帶來大量的不便，而對于異物干擾，是根本沒有切實有效的解決方式的。歸其原因是沒有記錄每個波形的歷史軌跡，在某些特殊情況下，無法判斷干擾波和真實波。

 

        而動態算法，是基于大數據處理，在靜態算法的 FAC和 Mapping 基礎上，對于每一路波形都進行歷史軌跡的跟蹤和記錄，從而根據波形的矢量信息判斷出波形的真實性。故動態算法特別對于異物回波有切實有效的解決方法。