摘  要
　　測量高壓尿素合成設(shè)備中的液位不是一項簡單的工作。極端工藝條件，特別是關(guān)于工藝介質(zhì)腐蝕性和設(shè)備建造方式的極端工藝條件限制了大多數(shù)部分已有測量原理的使用。極少數(shù)的可靠技術(shù)之一采用放射源測量液位，因此這或多或少是尿素廠的慣例。然而，是不斷增強的計算能力使進行必要的先進信號處理成為可能，基于雷達的測量才成為可行。此技術(shù)將Safurex®作為建筑材料使用以提供一個完美的替代品。
1 引  言
　　控制尿素裝置高壓合成工段的兩個主要參數(shù)是合成塔液位和汽提塔液位。由于合成中尿素/甲銨混合物的極端腐蝕性和設(shè)備建造方式，僅極少數(shù)測量原理能使用。在早期的尿素生產(chǎn)技術(shù)中，設(shè)計了沖洗冷凝液壓差測量技術(shù)，其中一些裝置仍在使用這種測量方法，但是需要很大的維修工作量。直至由于將Safurex®作為建筑材料使用而使尿素裝置采用一個相對成熟的技術(shù)成為可行時，放射性測量才成為現(xiàn)代尿素裝置采用的慣例。
　　雖然放射性測量十分耐用且可靠，但是由于這些測量裝置笨重的缺點，尿素生產(chǎn)商多年來已在尋找替代測量技術(shù)。應(yīng)強調(diào)的不光是放射性的負面影響，而且還有當(dāng)?shù)卣�府在準許使用放射性測量上越來越多的保留意見。而且，這些測量顯示出一些非常典型和特定的問題，如其對X射線的敏感性（考慮用X射線進行設(shè)備檢驗），以及由于放射性材料的半衰期，每隔幾年就需將其替換。
　　作為尿素工藝技術(shù)的領(lǐng)先許可方，斯塔米卡邦接受挑戰(zhàn)并決定為消除尿素廠中的放射源鋪路。
　　替代測量裝置品必須滿足下列明了但困難的標準：
• 可靠精確，
• 不受工藝條件影響，
• 經(jīng)驗證的技術(shù)，
• 免維護，
• 耐尿素/甲銨
　　簡短的市場調(diào)查指出了一種似乎非常有前景的技術(shù)：雷達。德國公司VEGA Grieshaber KG通過其荷蘭子公司發(fā)現(xiàn)了尿素應(yīng)用開發(fā)的合作伙伴。
2  雷達技術(shù)簡史
　　1864年，James Maxwell在寫他的電磁場理論時預(yù)測到無線電波的存在。他從數(shù)學(xué)上證明自由空間內(nèi)的所有電磁波以光速傳播，不受波長影響。Heinrich Hertz驗證了該理論，并通過實驗（1886 - 1887）證明所有電磁波確實均以光速傳播，而且他證明了這些波被金屬和絕緣體反射。也證明了電磁波顯出與光相同的物理特性，如衍射、折射、偏振和干涉。
　　德國工程師Christian Hülsmeyer通過1904年取得“電動鏡”專利第一次將雷達的實際應(yīng)用作為專門的技術(shù)介紹.直至1922年，Guglielmo Marcone 認識到了可以檢測到金屬物體的真正潛力，從而預(yù)見到短波無線電在晚上或霧中進行船對船檢測方面的應(yīng)用。但是，他沒有得到必要的支持或資源來使他的想法商業(yè)化。
　　1935年，有實證顯示可能檢測飛行中的飛機，證明了Robert Watson-Watt的理論。盡管這件事是一項重大的突破，但并無實際用途。可能檢測到物體的存在，但卻不能檢測到精確位置。從1939年起進行了深入研究，主要是二戰(zhàn)期間的軍事應(yīng)用。雷達這個術(shù)語是英語無線電探測和測距的首字母縮寫，是由美國人引入的，并從那時起一直沿用至今。
　　從1945年起，雷達技術(shù)應(yīng)用于越來越多的和平應(yīng)用領(lǐng)域，如車速和距離測量、氣象學(xué)、材料分析、天文學(xué)、微波爐以及最后但也同樣重要的工業(yè)液位測量。
3 雷達液位測量
基本上，雷達液位測量是基于測量生成的電磁信號的傳輸時間。示意圖如下。

　　送器產(chǎn)生雷達信號并通過天線發(fā)送此信號至應(yīng)測定液位的容器。雷達信號到達液面時，該信號將被反射并通過相同的傳輸路徑和通常相同的天線使發(fā)送器收到回波。已知傳輸時間t和雷達信號傳播速度c，則變送器到液面的距離d可易于計算為： 　　雷達測量實質(zhì)上不受工藝條件影響。溫度（變化梯度）、壓力變化、氣體或蒸汽組成等幾乎不改變測量的精度。但是，DK值（介電常數(shù)或相對介電常數(shù)）受這些參數(shù)影響，這是由于介質(zhì)的傳播速度會受這些參數(shù)的影響。此DK值在雷達液位測量中非常重要。一般可以說，給定介質(zhì)的DK值越高，該介質(zhì)表面的雷達波反射將越強。對該參數(shù)說明如下：顯示幾乎理想反射特性的水的DK約為80.所有DK ＞ 10的值均提供優(yōu)良的雷達反射能力。尿素合成中含有的尿素/甲銨混合物的DK估計值約為20.載體介質(zhì)的影響可由以下公式量化： 　　其中：
    工藝條件下氣體的相對介電常數(shù)
正常條件下氣體的相對介電常數(shù)
   TN     正常開爾文溫度，通常取273.15 K
   PN    標準壓力，1巴
    T     開爾文溫度
    P     壓力
　　因此，修正系數(shù)K可定義為工藝條件下傳播速度c與真空（或正常條件）下傳播速度（光速）的比率： 　　用下列針對空氣的圖表對此系數(shù)K進行可視化說明。 　　如圖所示，溫度影響可忽略。壓力的影響確實要大些，但可通過測量實際合成壓力對這些改變進行壓力補償。另一種選擇是對具有恒定偏移的測量值進行調(diào)整，提供一個恒定工藝壓力。
　　但是，應(yīng)認識到介電常數(shù)比此處簡花描述要復(fù)雜得多的數(shù)量。除如溫度和壓力的工藝參數(shù)外，此數(shù)量也取決于介質(zhì)粘度和電偶極矩以及使用雷達信號的頻率�？紤]尿素合成中液體和氣體介質(zhì)組成包括很多化合物（每個化合物有其自身特定的特性）并不能使事情變得更容易。但是，如前所述，從實際經(jīng)驗中得出尿素合成溶液的DK值對于所用雷達是優(yōu)良的。
　　過去幾十年中，已發(fā)展了幾種雷達方法，每一種方法有其自身特定的特性的應(yīng)用區(qū)域。本論文范圍不包括不同技術(shù)的更多細節(jié)。
　　對于雷達在容器液位測量方面的應(yīng)用，有幾個必須克服的技術(shù)難題。如果我們認為電磁雷達波以約300000 km/s的速度傳播，那么很容易計算出信號在1m內(nèi)來回的時間為0.0000000067秒或6.7納秒。如何測量此將推算出準確容器液位信息的時間？
　　尿素應(yīng)用中使用的雷達技術(shù)是所謂的脈沖雷達。脈沖雷達每秒發(fā)送幾百萬個短脈沖（0.8 ns）信號，并可測量從變送器通過反射面回到接收器的脈沖傳輸時間。 　　與其他許多的雷達技術(shù)一樣，因為此脈沖雷達技術(shù)在時域運行，所以它不需要FFT（快速傅立葉變換）和相應(yīng)的強大計算機處理容量。
　　獲取傳輸時間的精確測量存在技術(shù)困難。如前所述，傳輸時間是在幾納秒時間范圍內(nèi)，所以為了獲得合理精確度，需要微微秒時間測量。需要專門的時間轉(zhuǎn)換來“減緩”原信號速度。使用專門的采樣和交叉相關(guān)技術(shù)，可更易轉(zhuǎn)換極快速時標來操作時間擴展信號。將轉(zhuǎn)換速度從數(shù)納秒降低到毫秒是有意義的。此可以與使用頻閃觀測器來降低旋轉(zhuǎn)設(shè)備的快速周期運動速度相比。雖然此轉(zhuǎn)換從數(shù)學(xué)上非常復(fù)雜，但從技術(shù)上來說非常簡單，可由現(xiàn)有模擬電路很容易地實現(xiàn)。
　　低處理能力要求使脈沖雷達技術(shù)適合和能夠成為兩線、回路供電及本質(zhì)安全技術(shù)。因此，能夠很容易直接更換現(xiàn)有的兩線傳感器（如放射性傳感器），且不產(chǎn)生大的工程影響。
4  尿素裝置中的雷達
　　尿素應(yīng)用發(fā)展項目開始時的重點是針對合成器和汽提塔的高壓合成應(yīng)用。由于本論文中上述原因，常用技術(shù)的替代技術(shù)最受歡迎�，F(xiàn)有工藝數(shù)據(jù)需要Vega生產(chǎn)線上生產(chǎn)的Vegapuls 66敏感變送器，但是需要進行若干改進來使儀器適用于尿素合成條件。利用此完美的耐高壓尿素/甲銨材料的所有優(yōu)點制造Safurex®儀器的受潮金屬部件是絕對要求。 　　上圖顯示了該雷達傳感器的核心部位及受潮部件。例如，使用Safurex®將消除陶瓷天線和波導(dǎo)管間的縫隙腐蝕風(fēng)險。雖然兩種高壓尿素應(yīng)用中使用了相同的Vegapuls 66變送器，但是這些應(yīng)用中的天線設(shè)計不同。汽提塔中使用所謂的豎管天線。這樣，汽提塔底部的重質(zhì)紊流高度攪動液位衰減，以使雷達發(fā)現(xiàn)平靜的液面和散射，因此，使得雷達信號的能量損失達到最小。豎管內(nèi)測量的另一個優(yōu)點是可通過彎管測量，對于汽提塔裝置這尤其有趣，因為汽提塔底部的幾何結(jié)構(gòu)只要求側(cè)面進入波導(dǎo)管。
　　另一方面，必須補償管內(nèi)的微波速度下降。但是，工廠校準后的軟件適應(yīng)將補償此負面影響�，F(xiàn)有汽提塔雷達液位測量布置與下圖類似。 　　到目前為止，有五種具有優(yōu)良效果的尿素汽提塔應(yīng)用了雷達測量（印度的MCF芒格洛爾、美國的Terra Industries Verdigris、中國的中石油烏魯木齊石化公司、加拿大的Agrium Redwater和俄羅斯的Novomoskovsk Azot）。更多的正在建設(shè)中，并將很快投入使用。
　　如上述對照表中所示，雷達測量能很容易地應(yīng)用于許多現(xiàn)有汽提塔。安裝在測量裝置中的所需噴嘴直徑減小到2"。必須分別調(diào)查偏離的噴嘴尺寸，但一般可以說，至少2"直徑的噴嘴足以用于安裝雷達液位測量裝置�，F(xiàn)有的較小噴嘴可能會適合，且無需犧牲壁強度。但是，在這些情況下，必須進行額外的工程。斯塔米卡邦可提供這些額外服務(wù)。
　　合成器的天線表面上不同的。機械限制（搬運、固定等）限制了天線延長部分的長度。豎管（延長部分）應(yīng)略微在第一合成器托盤上方終結(jié)，以使液位裝置正常運行。根據(jù)合成器的幾何結(jié)構(gòu)，這將要求延長部分長度大于6m，但并不實際。因此，可使用喇叭形天線。其依據(jù)與豎管式天線依據(jù)相同。但是，電磁波通過喇叭“自由”發(fā)送至合成器，再由液面反射并由喇叭形天線捕捉到。由于合成器內(nèi)波的散射，傳感器僅回收到極少量的發(fā)射能量，通常少于1%。這個事實對天線的設(shè)計和安裝提出了嚴格的要求。 　　安裝要求規(guī)定喇叭形天線延長部分應(yīng)足夠長以使至少10mm的喇叭形伸入容器以防止噴嘴或人孔發(fā)出錯誤回波。在現(xiàn)有合成器中，通常已存在的放射性測量用噴嘴可用于安裝雷達。由于上述原因，在那種情況下，喇叭必須貫穿人孔。在新設(shè)計的合成器中，使用穿過合成器一半頭部的專用噴嘴。在后一種情況下，若必須打開合成器人孔，不必取下合成器。 　　合成器液位雷達測量裝置自2007年12月開始在卡塔爾Messaieed的Qafco-2裝置中運行。安裝完成后不久，其開始測量裝置的早期平滑開車，不時顯示奇怪的輸出信號。Vega通過為達此目的設(shè)置的專用調(diào)制解調(diào)器接線從遠處調(diào)查了測量裝置的回波信號。一些儀器所謂的特殊參數(shù)的調(diào)節(jié)（基本上是一些軟件變化）消除了所有問題并將裝置轉(zhuǎn)變?yōu)槟陀们铱煽康囊何粶y量裝置。
　　雖然尿素裝置中雷達液位測量裝置的發(fā)展重點為高壓合成，但是也調(diào)查了其他可能。中壓（和/或低壓）甲胺冷凝器液位槽是眾所周知的危險來源。該液位槽是用于高壓甲胺泵的吸入容器。液位測量裝置通常為差壓型裝置，特別是上隔膜對甲胺堵塞和結(jié)塊敏感。一發(fā)生這種情況，測量和液位指示可能消失。由于毀壞高壓甲胺泵的經(jīng)濟后果嚴重，可靠的液位測量裝置非常重要。同樣，在這類應(yīng)用中，已證明雷達液位測量裝置是一個可靠的選擇。此應(yīng)用中的天線是安裝于Vegaflex 66傳感器的方形Safurex ®桿。
　　從2007年10月開始，MPCC應(yīng)用在德國Piesteritz的SKW成功運行。雖然有新建成的噴嘴安裝于頂部，但是Safurex®桿仍浸入容器中，且特殊配件固定于容器底部。示意圖如下所示。 　　下圖中顯示了所述應(yīng)用的性能，以及顯示了新雷達測量裝置試車后前三個星期中新雷達和原壓差型測量裝置的液位指示。 　　由于液位槽的設(shè)計和尺寸因情況不同而幾乎不同，繪制標準設(shè)計圖非常困難。因此，斯塔米卡邦建議在感興趣時聯(lián)系我們。不管怎樣，必須完成一項小型研究以判斷這些情況下雷達的可行性。
5 安  全
　　電磁波的潛在健康危害是一個飽受爭議的話題。根據(jù)當(dāng)前的知識，可以假設(shè)如果遵守DIN、ANSI（美國國家標準學(xué)會）和IRPA（國際輻射防護協(xié)會）的指令，就不會有危險。這些指令規(guī)定功率密度的限制：1 mW/cm2 (DIN、IRPA)和5 mW/cm2 (ANSI)。雷達變送器的典型傳輸功率電平是0.1…1 mW，表示天線孔位置的功率電平是100 - 500 W/cm2 （峰值）或小于1 W/cm2（平均值）。相比較而言，移動電話的典型功率密度大于100 W/cm2，而總發(fā)射功率超過1 W（瓦特）。由此可以得出結(jié)論，工業(yè)雷達液位測量裝置的運行遠低于發(fā)射功率的規(guī)定限值。下圖顯示裝置的典型功率密度等于且?guī)缀醪怀�過天然本底輻射。 6 結(jié)  論
　　作為尿素裝置中傳統(tǒng)液位測量技術(shù)替代品的雷達測量裝置的優(yōu)勢是顯而易見的。
　　由于雷達技術(shù)已開發(fā)了幾十年的時間，現(xiàn)在可認為雷達是一種經(jīng)證明的成熟技術(shù)。由幾種應(yīng)用（目前，其中一些應(yīng)用已進行一年以上）的經(jīng)驗證明此結(jié)論。
　　處理能力增強和電子元件改進使雷達測量可用于加工工業(yè)并增強液位測量的可靠性和精確度。
　　雷達的精確度不受介質(zhì)密度或介質(zhì)DK值變化的影響。工藝溫度和壓力影響輕微，因此需測量的介質(zhì)上方的蒸汽組成也有輕微影響。
　　從維護來看，雷達變送器沒有活動部件，且不需要重新校準。
　　Safurex®用于儀器上的受潮部件保證了尿素裝置任何工段的優(yōu)良性能。