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物位仪表与储罐测量技术

控制工程 2006-07-26 00:00:00

  指南与市场趋势:各种各样的技术应用于物位测量这一极其重要的过程变量。
  物位测量设备用来确定储罐、容器、筒仓或其它任何适宜容器中的流体和/或颗粒状固体的高度。近来,VDC市场调研公司发现,2004年全球过程工业物位测量设备的市场总值为13.2亿美元,其中储罐计量系统大约占3.27亿美元。大批检测技术被用于测量物位—一个被广泛测量的过程变量。
  物位测量传感器分为两类:点位开关与连续物位计。一些技术在这两类传感器上都有使用。点位是指物料到达、高于或低于容器中某个特定点,此类设备用来指示容器是满、空还是处于中间某个位置。连续物位计则能提供物料位于容器内任何位置上的信息。

  相对于过程控制,储罐计量(ITG)是指对库存存储和保管交接等应用进行的物位测量。很多ITG系统都比过程物位测量仪表具有更大的测量范围和更高的测量精度。
  不同技术的出货情形
  这里,出货的过程设备包括连续与点位测量设备,但不包括只能提供点测量的振动式产品。
  静压式液位计是迄今为止全球出货金额最大的过程物位测量设备,其中绝大部分都是连续测量设备。这种设备中最简单的是静压式探头设备,它通过测量储罐底部的压力来确定敞口储罐中的液位,这是因为密度已知液体任何点上的压强,都由该点之上的液体高度确定。
  而另一方面,差压式设备是最普遍的连续液位测量设备。在应用当中,差压式传感器的高压部分与储罐底部相连,低压部分则与密闭储罐顶部空出的部位相连。如果液体密度恒定,则测得的压强差就指示了实际的液位。如果液体密度不恒定,则液体成分或工作温度的改变会使某些重力发生变化,从而产生错误的读数,这就需要对其进行修正。
  对接下来的5年,VDC公司预计静压式设备的全球市场份额将会下降,但下降不会太多。压力式传感预计仍将是过程物位测量领域的主导技术。这种技术已经使用了很长时间,甚至一些主要的供应商也担心其被取代,但其实并没有这么快。

  静压式液位测量技术持久占据主导地位,根据具体应用的不同,这可被归结于很多因素。静压式液位测量一些具有吸引力的特点包括:
  ■  较低的产品和/或维护成本;
  ■  易于安装;
  ■  坚固耐用;
  ■  高可靠性(经过长期验证的);
  ■  较宽的介质兼容性;以及
  ■  用户熟悉度
  其中,成本可能是最主要因素。例如,2004年,只有占全球连续物位测量市场1%份额的声波/超声波产品拥有较低的平均售价,而其他产品的成本则相对较高。
  非接触式微波/雷达产品占据了全球ITG市场的最大份额,2004年此类设备在海运和非海运应用中的出货金额占全球ITG设备总出货金额的60%多,而静压式储罐计的出货金额则低于6%。
  自从1976年由Saab海洋电子公司推出并应用在油轮上以来,非接触式微波/雷达产品已经广泛用于各类ITG应用。例如,在1991年,这些产品约占全美ITG市场的10%,到1997年达到大约14%,2002年则为22%。
  该技术在美国及整个北美的市场份额要远低于其全球市场份额。这主要是因为,在海运业出货的ITG系统主要是应用在新建的船舶上,而目前的船舶建造则主要集中在世界的其他地区,尤其是亚洲和环太平洋国家和地区。2004年,ITG系统在北美海运应用上的出货量不到全球市场份额的2%。而亚太地区的出货量则几乎占了全球总出货量的73%,其余则主要是在欧洲市场。
  非接触式微波/雷达物位测量设备安装于储罐顶部,它向下发送微波信号至储罐中物料的表面,然后接收器接收反射回来的信号。根据发射和接收信号的差别,系统就能计算出储罐中的物位。
  这里有如下两种调制方法:
  ■  脉冲系统是测量由发射脉冲到接收到回波的时间。通过发射与接收脉冲之间的延时即可直接计算出物位;
  ■  调频连续波(FMCW)发射方案,是将频率已改变的回波信号与发射的微波信号混合,由于其频率不同(因为调频),因此混合信号的频率与到物料表面的距离成正比。
  所采用的微波频率对雷达物位计的性能有很大影响。高频短波长的信号,对蒸汽、泡沫和污染物极为敏感。在24 GHz的频率上,即使是少量的水蒸气也能吸收微波信号。低频长波长和宽波束角的信号,则会从储罐壁和搅拌器上返回许多干扰回波。现已知最佳频率为10 GHz左右。
  非接触式微波/雷达设备完全或相对不易遇到其它许多技术可能面临的测量问题,如:
  ■  与物料密度相关;
  ■  与物料介电常数有关;
  ■  易受灰尘影响;
  ■  维护强度高;
  ■  在真空下不能工作;
  ■  易受压力影响;
  ■  易受介质与传感器之间的环境(如泡沫和变化密度的蒸汽等)影响;
  ■  易受量程的影响;以及
  ■  易受温度的影响等。
  该技术的非接触特性尤其适合用来测量粗糙或遭腐蚀的物质。迄今为止,大多数ITG系统都是用于石油天然气行业海基和陆基的应用,包括精炼。在2004年的全球ITG系统市场当中,上述应用所占份额超过87%,其中绝大多数出货的产品都是采用非接触式微波/雷达技术的。
  非接触式微波/雷达技术设备价格较高,这是阻止它获得更广泛应用的一个障碍。对于过程物位测量应用,情况更是如此,其中2004年该技术大约只占全球出货量的6%。然而,其价格正在下降,以满足过程和ITG系统的应用;预计在接下来的5年里,采用该技术的产品平均售价将会有很大降低。
  影响因素包括采用低成本器件、提供简化功能产品,和提高低价位产品的产量。提高产量将导致更大的规模经济效益。此外,更多厂家正在进入这一市场,从而进一步加大了价格竞争压力。
  高增长的市场
  非接触式微波/雷达产品预计将是过程物位测量和ITG应用中增长最快的产品。而ITG市场中的接触/制导式微波/雷达产品和声波/超声波系统甚至预计将有更高的增长。不过声波/超声波技术现在只占全球ITG市场很小的份额(小于1%)。

  2004年,接触/制导式微波/雷达产品大约占全球物位测量设备市场的4%,以及全球ITG市场的大约3%。这是最近才推出的一项新的物位测量技术。VDC第一个意识到Bindicator和Krohne公司的这类产品1997年在过程物位测量上的应用,以及Barton Instrument System公司的产品2002年在ITG上的应用。
  接触/制导式微波/雷达物位测量设备可以测量液体、糊料、浆料、粉末以及其他特殊颗粒材料的物位。2004年,此项技术在过程固体和液体物位测量应用上的出货量上分别占据全球份额的8.8%和3.1%。
  该类产品(有些被称为射频或时域反射计)安装在储罐顶部,沿插入罐内物料中的传输线或波导发射无线电或低频微波信号。与非接触式微波/雷达物位测量设备一样,接触式微波/雷达设备也有脉冲和频率调制两种类型。
  和非接触式产品相比,接触式微波/雷达物位计在较低的无线电和微波频率上工作,且成本更低,却拥有许多同样的优点。此外,它们通常还拥有更大的安装灵活性与更少的安装成本,且其使用还不受美国联邦通信委员会或其他国家的类似政府监管机构的许可限制。

  这种全电子设备可在超短或超长距离内进行测量,且不易受灰尘、空气运动、温度或压力波动的影响。
  另一方面,压在传输线或波导上的重物也会引起虚假读数。此外,此类产品还难以测量介电常数极低的塑料材料(如EPS珠)的物位。但是,它对塑料球和塑料片的测量效果却很好。

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