高世平，宋丹丹，陳 耀

（上海星申儀表有限公司，上海 201399）

圖1 產(chǎn)品的總體框架圖Fig.1 Overall frame diagram of the product

0 引言

分體式雷達(dá)液位計(jì)是為第三代核電站液位測(cè)量和控制系統(tǒng)中應(yīng)用而研發(fā)的新型雷達(dá)液位儀表，可以用于指示和控制液位，可以滿足絕大多數(shù)情況的液位測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確度高，分體式雷達(dá)液位計(jì)工作原理運(yùn)用了時(shí)域反射與ETS等技術(shù)。液位計(jì)變送器模塊可以發(fā)射特定頻率的高頻窄電磁波，該電磁波沿著傳感器的導(dǎo)波桿或鋼纜傳播，當(dāng)發(fā)射的電磁波遇到不同的介電常數(shù)的介質(zhì)表面時(shí)，電磁波會(huì)被反射回來。通過等效時(shí)間采樣技術(shù)將納秒級(jí)的傳導(dǎo)時(shí)間放大為毫秒級(jí)別的等效時(shí)間，再采用最優(yōu)目標(biāo)識(shí)別等復(fù)雜的算法處理，并對(duì)存在的虛假回波進(jìn)行有效抑制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的精確測(cè)量。

在第三代核電項(xiàng)目的非核級(jí)液位變送器選型過程中，有部分液位計(jì)從分體式超聲波液位計(jì)調(diào)整為分體式雷達(dá)液位計(jì)。因?yàn)榉煮w式雷達(dá)液位計(jì)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是在液位表面有泡沫、蒸氣或者攪動(dòng)工況時(shí)，還有在沸騰的表面下，壓力、溫度、介電常數(shù)和密度的變化都不會(huì)影響液位計(jì)的性能，使得分體式雷達(dá)液位計(jì)在核電站的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加突出。

1 分體式雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)勢(shì)

1.1 分體式雷達(dá)液位計(jì)的基本原理

分體式雷達(dá)液位計(jì)是一種采用直接接觸的方式，將傳感器導(dǎo)波桿或者鋼纜浸入被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的液位儀表。液位計(jì)運(yùn)用了時(shí)域反射原理，變送器模塊部分產(chǎn)生一定頻率的電磁信號(hào)沿導(dǎo)波傳感器傳播，遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生反射，單片機(jī)通過算法可以得到待測(cè)液位高度。因此，在用分體式雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)，液位的變化會(huì)引起傳感器特征阻抗改變。這種改變產(chǎn)生的反射信號(hào)通過電路采集進(jìn)行捕捉后，加以處理從而得到所測(cè)的液位高度。液位高度的計(jì)算公式如下：

其中：

h——被測(cè)液位的高度，mm。

H——被測(cè)介質(zhì)罐體連接法蘭面到被測(cè)介質(zhì)零位的距離，mm。

v——電磁波的傳播速度，mm。

Δt——雷達(dá)波從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間，s。

1.2 分體式雷達(dá)液位計(jì)的主要特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

第三代核電站的安注箱是核三級(jí)設(shè)備，布置在安全殼內(nèi)較堆芯補(bǔ)水箱位置略低。該位置便于維護(hù)和在役檢查，同時(shí)也能保護(hù)安注箱免受LOCA的影響。安注箱內(nèi)基本充滿了硼水，并且由氮?dú)猓∟2）加壓。因?yàn)闆]有保溫或加熱，其內(nèi)硼水的溫度、環(huán)境溫度基本相同。安注箱上設(shè)有兩臺(tái)分體式雷達(dá)液位計(jì)，儀表的測(cè)量范圍從安注箱幾乎排空到全滿，用來監(jiān)測(cè)安注箱液位是否在工藝規(guī)定的范圍以內(nèi)。新型的分體式雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì)壓力可達(dá)10MPa，設(shè)計(jì)溫度可達(dá)230℃，同時(shí)具有高耐輻照性能和長達(dá)100m的分體距離，可以充分滿足該位置儀表選型要求。分體式設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場的輻射劑量大小進(jìn)行了劃分，高輻射區(qū)域中傳感器組件的材料和射頻電纜均采用了耐輻照材料，可以承受2MGy以上的γ總輻照劑量，而經(jīng)過100m的耐輻照電纜距離分隔以后將液位計(jì)變送模塊安裝在低輻射區(qū)域，可以極大降低輻射對(duì)電子元器件造成的損傷，提高液位計(jì)的壽命和可靠性。

分體式雷達(dá)液位計(jì)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）液位計(jì)的電磁波沿同軸射頻電纜和導(dǎo)波桿或者鋼纜傳導(dǎo)，衰減程度小，功耗極低，電磁波能量集中，不易擴(kuò)散，抗干擾能力很強(qiáng)，最高準(zhǔn)確度可達(dá)±3mm。

2）可以測(cè)量各種低介電常數(shù)的介質(zhì)，介電常數(shù)的大小只影響回波幅度大小，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)無影響。

3）霧氣、泡沫等引起的散雜信號(hào)對(duì)測(cè)量無影響。對(duì)于具有揮發(fā)性氣體、泡沫、液位表面波動(dòng)、掛料、結(jié)垢、沸騰、介電常數(shù)或密度經(jīng)常變化的測(cè)量工況，都可以有效進(jìn)行測(cè)量。

4）測(cè)量不受介質(zhì)密度、導(dǎo)電率和溫度的影響，適用于高溫高壓工況下的測(cè)量。

5）具有維護(hù)量小，現(xiàn)場調(diào)校方便，性能穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 分體式雷達(dá)液位計(jì)和分體超聲波液位計(jì)綜合性能比較

用分體式雷達(dá)液位計(jì)完全可以替代之前經(jīng)常采用的分體式超聲波液位計(jì)選型方案。表1對(duì)兩種選型方案的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了比較，從中可以看出分體式雷達(dá)液位計(jì)選型方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 兩種選型方案主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of the main technical parameters of the two selection schemes

超聲波不適用于被測(cè)介質(zhì)為揮發(fā)性液體或含有大量水汽、粉塵以及液面上有泡沫等。較高的壓力會(huì)抑制超聲波的聲速，從而影響到測(cè)量準(zhǔn)確度，甚至無法正常測(cè)量。被測(cè)介質(zhì)的壓力超過0.2MPa或者負(fù)壓情況下，均會(huì)引起測(cè)量誤差，甚至無法完成測(cè)量工作。

分體式雷達(dá)液位計(jì)可以滿足分體距離的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在準(zhǔn)確度、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)測(cè)量容器內(nèi)存在冷凝物、附著物、液位表面泡沫以及盤管干擾物工況等有較好的適應(yīng)性，同時(shí)調(diào)試的便捷性和使用壽命均優(yōu)于超聲波液位計(jì)。

2 分體式雷達(dá)液位計(jì)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的意義

目前，國內(nèi)電站普遍使用雷達(dá)液位計(jì)來測(cè)量箱罐和地坑液位。國內(nèi)雖有生產(chǎn)廠商，但由于儀表性能、用戶評(píng)價(jià)等方面缺乏競爭力，目前在核電站里沒有廣泛的使用業(yè)績。對(duì)于安裝于核設(shè)備雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)力分析結(jié)果應(yīng)不超過ASME BPVC III卷中相關(guān)限值的要求，國內(nèi)目前尚沒有任何一家制造商符合該要求。同時(shí)，分體式雷達(dá)液位計(jì)國內(nèi)起步較晚，研發(fā)和生產(chǎn)相對(duì)滯后，同時(shí)面臨著國外的技術(shù)和貿(mào)易封鎖，但公司克服重重困難研制成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、高可靠、高性價(jià)比的分體式雷達(dá)液位計(jì)，并且成功向第三代核電站進(jìn)行了供貨，提高了核電殼內(nèi)儀器儀表的國產(chǎn)化率。

3 分體式雷達(dá)液位計(jì)的選型

根據(jù)探頭結(jié)構(gòu)的不同可分為3種類型：單桿式（單纜式）、雙桿式（雙纜式）、同軸桿式。

1）單桿（纜）式：傳感器的探頭部分由金屬硬桿或多股鋼纜構(gòu)成，結(jié)構(gòu)最簡單，是3種探頭型式中信號(hào)傳輸效率最低的一種，被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)ε＞10，是損耗最大的電磁場設(shè)計(jì)，也最能忽視掛料或者結(jié)垢，是受物體接近程度影響最大的一種型式。其通常應(yīng)用于粘度較大，泡沫、掛料或結(jié)垢的工況，可以測(cè)量液體或散狀固體，所以有時(shí)也被稱為物位計(jì)。

2）雙桿（纜）式：傳感器的探頭部分有兩根桿為金屬硬桿或多股鋼纜構(gòu)成。其主要應(yīng)用于粘度較大且有少量掛料的工況，可測(cè)量液體或散狀固體。其平行的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案沒有同軸式設(shè)計(jì)方案靈敏度高，被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)須ε＞1.9。這種型式的電磁場設(shè)計(jì)能夠更精確地測(cè)量易掛料或結(jié)垢的被測(cè)介質(zhì)，膜狀的掛料對(duì)液位計(jì)的性能影響較小。但在兩桿之間物料搭橋或在隔離件上結(jié)垢，均會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的異常，應(yīng)盡量避免。

3）同軸式：該型式主要應(yīng)用于清潔的低粘度液體，被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)ε≥1.4，是所有類型傳感器中性能最好的。但由于其敏感的密閉的電磁場設(shè)計(jì)，讓同軸式傳感器探頭在掛料或結(jié)垢的工況下，容易產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)異常，所以不適用于有掛料、結(jié)垢和泡沫工況的液位測(cè)量。

電磁波的反射率受以下條件影響：衰減系數(shù)與電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率的平方根成正比，與介電常數(shù)的平方根成反比。即目標(biāo)物體的介電常數(shù)越大，衰減率越??；衰減率越小，反射率越大。所以介電常數(shù)大的測(cè)量介質(zhì)反射率強(qiáng)，傳感器的信號(hào)強(qiáng)度就高。

分體式雷達(dá)液位計(jì)是在一體式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過重新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳感器組件應(yīng)用的材料均符合第三代核電站相關(guān)技術(shù)規(guī)范書和禁用材料要求，同時(shí)將傳感器組件與變送器組件用超長距離（100m）耐輻照低煙無鹵阻燃同軸電纜射頻進(jìn)行連接，并根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了符合性鑒定試驗(yàn)。本公司是國內(nèi)首家具有設(shè)計(jì)、生產(chǎn)該超長距離雷達(dá)液位計(jì)廠商，100m的分體距離也是國產(chǎn)化分體雷達(dá)液位計(jì)之最。

4 分體式雷達(dá)液位計(jì)的安裝注意事項(xiàng)

分體式雷達(dá)液位計(jì)作為新型的液位測(cè)量儀表，既有與傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)相似的要求，又有其獨(dú)特的安裝注意事宜。安裝方式可分為頂裝式和側(cè)裝式兩種。

分體式雷達(dá)液位計(jì)能否準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)介質(zhì)與液位計(jì)的正確安裝密切相關(guān)。分體式雷達(dá)液位計(jì)必須與被測(cè)量介質(zhì)的表面垂直，不垂直會(huì)造成不必要的測(cè)量誤差。若罐內(nèi)存在攪拌或罐壁有黏附物以及階梯、盤管等干擾物，選擇安裝孔時(shí)，在有條件的情況下應(yīng)盡量避開干擾物，否則必須進(jìn)行虛假回波學(xué)習(xí)，不然可能會(huì)影響液位的正常測(cè)量或者造成測(cè)量數(shù)據(jù)異常。對(duì)于圓型或橢圓型的罐體，應(yīng)裝在離中心軸線1/2R（R為容器半徑）距離的位置上，不可裝在圓形或橢圓形的容器頂?shù)闹行奈恢?，否則電磁波在管壁的多重折射后，將匯聚在容器頂?shù)闹行奶?，從而形成很?qiáng)的干擾波，影響液位計(jì)的正常使用。對(duì)液位表面波動(dòng)較大的容器進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，建議在旁通管上安裝以減少液位波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。分體式雷達(dá)液位計(jì)的傳感器安裝法蘭頂部至少需要預(yù)留200mm～300mm的空間，同時(shí)建議用金屬軟管對(duì)傳感器和變送器之間射頻電纜進(jìn)行獨(dú)立的防護(hù)。射頻電纜的單次最小彎曲半徑15mm，多次最小彎曲半徑30mm，最小彎曲次數(shù)大于15次可能會(huì)造成射頻電纜損壞。

5 分體式雷達(dá)液位計(jì)的現(xiàn)場調(diào)試與維護(hù)

分體式雷達(dá)液位計(jì)現(xiàn)場標(biāo)定非常方便，介質(zhì)密度的變化、霧氣和泡沫對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)基本無影響。由于電磁波不通過空間傳播，因而霧氣不會(huì)引起信號(hào)的衰減，泡沫也不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行散射而損失能量。

液位計(jì)調(diào)試組態(tài)便捷，正式使用前將測(cè)量筒內(nèi)的雜物排放干凈后即可。液位計(jì)校驗(yàn)簡單，在現(xiàn)場很快即可完成校準(zhǔn)工作，多數(shù)情況下僅需確認(rèn)一下儀表的零位。通過變送器自帶的組態(tài)模塊按鍵即可實(shí)現(xiàn)輕松組態(tài)，也可通過上位機(jī)軟件或者DCS組態(tài)工具進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。檢修維護(hù)量小，在實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化后極大地降低了維護(hù)成本和縮短了維修周期。除同軸型之外，傳感器的長度和射頻電纜的長度可以在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，然后通過液位計(jì)自帶的組態(tài)模塊或者上位機(jī)軟件對(duì)傳感器探頭的長度和電纜長度進(jìn)行簡單的組態(tài)即可完成設(shè)置。

6 分體式雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用前景展望

傳統(tǒng)的雷達(dá)液位計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于福建福清核電1～4號(hào)機(jī)組的汽水分離再熱系統(tǒng)上。中廣核相關(guān)核電廠的汽水分離再熱器疏水系統(tǒng)中，秦二廠1、2號(hào)機(jī)組中低壓給水加熱器系統(tǒng)的液位測(cè)量已全部使用了雷達(dá)液位計(jì)，運(yùn)行效果良好，低加系統(tǒng)液位計(jì)也正常穩(wěn)定工作，雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用極大地減輕了檢修人員的工作量，同時(shí)也降低了生產(chǎn)和維護(hù)成本，為核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

進(jìn)口的分體式雷達(dá)液位計(jì)目前已經(jīng)在三門、海陽核電站成功應(yīng)用。本公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的分體式雷達(dá)液位在第三代核電站也有了應(yīng)用業(yè)績，相信隨著產(chǎn)品系列的不斷拓展和應(yīng)用的逐步增多，將來分體式雷達(dá)液位計(jì)在核電領(lǐng)域一定會(huì)有更為廣闊的前景。

7 結(jié)論

分體式雷達(dá)液位計(jì)在第三代核電站使用時(shí)，其綜合性能明顯優(yōu)于其他傳統(tǒng)的液位計(jì)。本公司通過對(duì)分體式雷達(dá)液位國產(chǎn)化研發(fā)，成功解決了超長距離分體雷達(dá)液位計(jì)沒有國產(chǎn)供應(yīng)商可以選擇的難題，使核電核心儀器儀表國產(chǎn)化儀表率得到了進(jìn)一步提升，為高輻射區(qū)域液位測(cè)量提供了全新的選擇。分體式雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用對(duì)解決目前進(jìn)口儀表卡脖子問題以及降低核電采購、維護(hù)成本，縮短供貨、維護(hù)周期都具有重要意義。