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摘要：本文以Eclipse705型导波雷达液位计在某核电厂汽水分离再热器系统应用为例，其测量原理TDR时域反射原理，用超高速计时电路精确地测量出脉冲波的传导时间，从而实现对液位的精确测量，具有很高的精度。本文介绍了导波雷达液位计的基本结构、工作原理、蒸汽补偿原理、调试方法及常见的故障现象和解决方法，为以后检修工作提供参考。
关键词：导波雷达；测量原理；解决方法
概述
某核电厂中导波雷达液位计用来监测汽水分离再热器疏水罐液位高度，他直接控制疏水罐的液位。随着工业智能化的发展，微电子技术在导波雷达测量液位测量上的应用，使导波雷达性能和功能有了大的进步。导波雷达液位计运用先进的雷达测量技术，以其优良的性能，尤其是在槽罐中有搅拌、温度高、蒸汽大、介质腐蚀性强、易结疤等恶劣的测量条件下，显示出其卓越的性能，在工业生产中发挥着越来越重要的作用。
1 Eclipse 705型导波雷达液位计在汽水分离再热器系统中的应用
在某核电厂中，每台汽水分离再热器的疏水包括三个独立的疏水系统：汽水分离器、抽汽再热器和新蒸汽再热器疏水系统，有三个疏水箱，各个疏水系统的水利用重力疏至对应的疏水罐中，确保电站的安全。
水分离再热器内部由于在启停机和低负荷工况下内部为负压，差压变送器在这种工况下负压侧水柱被抽空导致测量不准，因此将疏水箱液位计换型为高温补偿型导波雷达液位计，并采用外装测量筒式安装方式便于检修。
2 导波雷达液位计的基本结构
在某核电厂中，探杆安装在与疏水罐底部连通的测量筒内探测实际液位，表头固定在测量筒附近地面的地桩上，分体式安装方式可实现在线检修，具体安装图详见图1。
图1 导波雷达安装图现场安装图
3导波雷达液位计测量原理
Eclipse 705型导波雷达液位变送器采用了TDR（时域反射）原理。这种原理是由发生器产生一个沿导波杆（探头）向下传送的电磁脉冲波，当遇到比先前传导介质（空气或蒸发气）介电常数大的液体表面时脉冲被反射，用超高速计时电路精确地测量出脉冲波的传导时间，从而实现对液位的精确测量，具体测量原理见下图2。
图2 导波雷达液位计测量原理
4导波雷达液位计蒸汽补偿原理
由于空气和蒸汽的介电常数不一样，电磁波在蒸汽中的传播速度比空气慢，高温高压水的水位上部是高温高压蒸汽。如果采用空气中的速度V来计算液位，计算出来的液位值将比实际液位值的偏小，因此需要实时测量液位上部空间的电磁波实际传播速度进行重新计算。
高温蒸汽型产品的核心----蒸汽补偿技术，就是计算蒸汽实际工况条件下的电磁波速度；变送器需要发射另外的参考脉冲波，变送器内部的超高速计时电路将计算参考脉冲波从发射到接收的传导时间，这样计算出蒸汽实际工况条件下的电磁波速度。实际上，即使在同一工况，高温蒸汽的物理参数发生变化时，也不会影响测量的准确性和可靠性。因为补偿功能是就地的、即时的。
1、由于电磁波在不同介质中的传输速度不同，比如在空气中的传输速度比在蒸汽中传输速度大；假设蒸汽工况条件下，如果采用空气中的速度V来计算液位，根据原理公式L=R-S=R- V*ΔT/2，因为S=V*ΔT/2比实际值偏大，计算出来的液位值将比实际液位值的偏小（根据经验如量程为1000mm，测量值比实际值将小100mm，误差在10%）。
2、蒸汽补偿技术，就是计算实际蒸汽工况条件下的电磁波速度V’；变送器需要发射另外的参考脉冲，确定从发射到反射的距离L’不变，变送器内部的超高速计时电路将计算参考脉冲波从发射到接受的传导时间差ΔT’，这样计算出实际蒸汽工况条件下的电磁波速度V’=2L’/ΔT’。
3、实际蒸汽工况条件下，实际的液位值将是L=R-S=R-V’*ΔT/2=R-L’*ΔT/ΔT’。
仅有好的原理仍然是不够的，它需要好的硬件支持。Magnetrol 的防蒸汽渗透技术同样也是专利的、独有的。核电厂的加热器的水及蒸汽在含氨碱性环境下，所以O 型圈的材料必须采用 Aegis PF128，其他材料将导致腐蚀或泄漏；散热层采用了适合饱和蒸汽条件的氧化铝且PEEK（高温塑料）为绝热材质，导波杆的散热器电磁波传输部分采用了黄金材料；导波杆的结构材料和焊接工艺必须符合ANSI B31.1 标准。武装到牙齿的结构特征，保证了设备较长期的卓越性能。
5 波形图介绍
高频电磁波以脉冲形式沿导波杆传播，遇到介电常数变大后会反射被电路板采集处理，处理过程可以通过波形图体现，标准的波形图如下图3所示。
图3 导波雷达标准波形图
上图横轴表示距离基准点的距离（也可以说是时间），纵轴表示电磁波强度，该强度为电磁波电压经过HART协议转换之后对应0~28之间的数值，当电磁波传播路径介电常数发生变化时纵轴强度也会发生变化，与电流传播原理类似。黑色曲线表示电磁波传播路径；蓝色横线表示液位阈值线，阈值数值由电路板按照实测液位脉冲幅值的75%自动计算，计算结果在正常范围内则取75%幅值，超处范围则取限值（Magnetrol不提供阈值范围）；绿色横线表示探杆底部判断阈值线，即电磁波幅值超出该阈值判断为干探杆（没有液位）。横轴有三根竖线，第一根黑色竖线表示基准点位置；第二根褐色竖线表示死区范围，该范围内测量不准，通常在参数设置中直接进行闭锁；第三根蓝色竖线表示探测到的液位位置。
一个带有初始能量的电磁波从导波杆顶部金针处往下传播，到达基准点处由于结构特点其幅值发生变化，第一个凹形图表示探测到基
准点；电磁波继续往下传播，第二个凹形图表示探测到参考点；电磁波继续往下传播，第三个凹形图表示探测到液位，幅值的75%处于正常范围内即取该点为实际液位值。如果导波杆挂珠、挂异物或干扰则除了基准点和参考点存在凹形图外还会出现其它不同程度的凹形图，但变送器表头能自动过滤这些干扰信号，干扰信号非常强则会输出虚假液位信号，比如悬挂异物则输出固定不变的数值，不再随真实液位波动而变化。
标准波形图有且只有一个脉冲信号与阈值线相交，该脉冲信号为实际液位信号，液位波形图全部是凹形图，与蓝色阈值线相交；干探杆状态探测到的探杆底部的波形图为凸形图，与绿色阈值线相交。如果灵敏度不合适或者信号强度异常，液位波前面的波形提前与绿色阈值线或蓝色阈值线相交则可能造成虚假液位。液位波幅值太小与蓝色阈值线未相交或刚刚相交则可能出现“weak signal”和“No signal”等故障报警，该报警在液晶屏上不显示，只能在工厂菜单的历史记录中查阅。
6表头菜单及参数设置
变送器装有二行8位的液晶显示（LCD），变送器的测量值和设置菜单都可以在LCD上显示。变送器的缺省显示是测量值，每隔5秒钟轮流显示STATUS、LEVEL、%OUTPUT以及LOOP 信息（Fieldbus版本则是LEVEL，%OUTPUT 和STATUS）。如果5分钟没有任何按键操作，变送器将自动缺省显示以上信息。LCD下方有三个箭头，用于切换显示和进行设置。分别是Up 箭头和 Down 箭头和Enter键，功能说明见下表1。
表1 表头按键功能说明
Eclips采用密码保护某些影响系统操作的菜单结构中的重要部分。只有正确的密码输入，上行显示的最后会显示一个惊叹号。密码可以设置最大255的任何数值。无论何时要改变设置值都需要密码。出厂时的缺省密码是0。设置菜单的最后一步，可以设置新的密码。如果密码为0，密码保护则不生效，除了诊断以外的数值都可以无需密码进行修改。（现场705密码为198）
注意：菜单项“New Password”的下行为加密值。如果遗忘密码，可以提供此加密值给工厂进行解密。
7、常见故障模式和处理方法
①、零点电流和满位电流不准
将表头上游接线退下，做好包扎，排空导波雷达，冷却测量筒，参考原导波雷达探杆调整OFFSET值，使用透明软管引至LN位置，参考LN零位，加水至LN零位，调整TRIM LVL确保此时液位读数为0CM。
将信号发生器接到表头，将表头模式切至TRIM 4mA，按回车键后，检查信号发生器的电流值，若不在4mA附近，通过上下键进行调整，使之尽可能接近4mA；将表头模式切至TRIM 20mA，按回车键后，检查信号发生器的电流值，若不在20mA附近，通过上下键进行调整，使之尽可能接近20mA。
②、Fidshift故障信号
表头Fidshift报警信息时，说明出现基准标记偏离期望值，可能原因为导波雷达导波雷达基准点电子部分与物理部分存在不匹配，需检查相关连接部件。
1）检查探头和变送器的连接。
2）检查探头顶端是否受潮。
3）检查高频连接器上的金针是否损坏。
4）更换表头检查。
③、weak signal&No signal故障信号
当表头出现weak signal和No signal时，说明没有探测到液位信号（NoSignal），信号振幅低于要求值（WeakSgnl）；
产生“Nosignal”和“weaksignal”的报错信息的可能性，一般是电磁波信号在传输过程中出现了能量衰减导致电磁脉冲信号偏弱所致。由于现场实际工况为高温高压的蒸汽工况（电磁波需要穿过上层饱和蒸汽的区域），电磁脉冲能量在此过程中势必会产生衰减。为了保证可以电磁脉冲能量可以正常工作，就需要对电磁脉冲信号强度进行加强，具体表现为调整灵敏度这个参数。
按照如下方法处理故障信号：
1）确保介电常数的设定与测量介质相对应。
2）增加灵敏度。
3）确定介质的介电常数与探头类型适配。
4）确认探杆型号符合实际的工况条件。
5）更换表头检查。
④、偏离正常值
完成对疏水罐导波雷达偏差调节，若出现导波雷达逐渐偏离另外两个正常导波雷达的情况，此时需要对导波雷达在热态下进行液位修正，修正方法如下：
A、确认探杆模式PrbModel、探杆安装方式（PrbMount）和探杆长度（PrbLn）设置正确。
B、工厂设置菜单内的Derate Factor 数值在2048，补偿（Compose）放在AUTO。
C、直接在现场操作
手动操作步骤（必须使用主板上按键和LCD）
确认灵敏度（Sensitvty）设置正确。
1）找到“Dis Fact”窗口，把no 改为Yes，按回车键保存。
2）通过上或下键，记录下“Targ Cal”，“Targ Ticks”，“Derate Fact”数值。
3）按下键找到“OperMode”窗口，把Run 改为Off（需要输入密码198）。
4）通过上或下键，找到“TargCal”窗口，按回车键进入，把数值调整到1100，再按回车键保存。
5）观察液位读数
a． 如果液位读数还是太低，重复第一步和第二步，每次把“Targ Cal”数值降低25（即1100‐25）。
b． 如果液位读数太高，重复第一步和第二步，每次把“Targ Cal”数值增加25（即1100+25）。
6）重复上述步骤，直到液位读数与正常水位一致。
7）记录下“Targ Cal”，“Targ Ticks”，“Derate Fact”数值。
8 结论
Eclipse705型导波雷达液位计是集成了众多工程经验和创新技术的位于科技前沿的液位变送器，所提供的测量性能显著高于其它诸多传统的测量技术。通过现场的表头，了解故障信息并进行处理，方便快捷，为维修人员提供了便利。
随着当今科技的发展，导波雷达液位计的功能会更加完善，可靠性更高，会更好的为企业安全稳定生产做出贡献。
参考文献：
[1]黄厚坤，张辉. 900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2004：353-360.
[2]刘伟佳，赵辉，唐美芹.一种导波雷达液位计的设计与实现[J].自动化与仪表.2010（01）
[3]霍金海.导波雷达液位计在汽包液位测量中的应用[J].河南化工.2012，29（01）
论文作者:郑清发,关琦
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/11
标签：导波论文; 液位论文; 疏水论文; 测量论文; 蒸汽论文; 电磁波论文; 探杆论文; 《电力设备》2018年第20期论文;