合成氨技术
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测量高压尿素合成设备中的液位不是一项简单的工作。极端工艺条件，特别是关于工艺介质腐蚀性和设备建造方式的极端工艺条件限制了大多数部分已有测量原理的使用。极少数的可靠技术之一采用放射源测量液位，因此这或多或少是尿素厂的惯例。然而，是不断增强的计算能力使进行必要的先进信号处理成为可能，基于雷达的测量才成为可行。此技术将Safurex®作为建筑材料使用以提供一个完美的替代品。
1 引 言
控制尿素装置高压合成工段的两个主要参数是合成塔液位和汽提塔液位。由于合成中尿素/甲铵混合物的极端腐蚀性和设备建造方式，仅极少数测量原理能使用。在早期的尿素生产技术中，设计了冲洗冷凝液压差测量技术，其中一些装置仍在使用这种测量方法，但是需要很大的维修工作量。直至由于将Safurex®作为建筑材料使用而使尿素装置采用一个相对成熟的技术成为可行时，放射性测量才成为现代尿素装置采用的惯例。
虽然放射性测量十分耐用且可靠，但是由于这些测量装置笨重的缺点，尿素生产商多年来已在寻找替代测量技术。应强调的不光是放射性的负面影响，而且还有当地政府在准许使用放射性测量上越来越多的保留意见。而且，这些测量显示出一些非常典型和特定的问题，如其对X射线的敏感性（考虑用X射线进行设备检验），以及由于放射性材料的半衰期，每隔几年就需将其替换。
作为尿素工艺技术的领先许可方，斯塔米卡邦接受挑战并决定为消除尿素厂中的放射源铺路。
替代测量装置品必须满足下列明了但困难的标准：
• 可靠精确，
• 不受工艺条件影响，
• 经验证的技术，
• 免维护，
• 耐尿素/甲铵
简短的市场调查指出了一种似乎非常有前景的技术：雷达。德国公司VEGA Grieshaber KG通过其荷兰子公司发现了尿素应用开发的合作伙伴。
2 雷达技术简史
1864年，James Maxwell在写他的电磁场理论时预测到无线电波的存在。他从数学上证明自由空间内的所有电磁波以光速传播，不受波长影响。Heinrich Hertz验证了该理论，并通过实验（1886 - 1887）证明所有电磁波确实均以光速传播，而且他证明了这些波被金属和绝缘体反射。也证明了电磁波显出与光相同的物理特性，如衍射、折射、偏振和干涉。
德国工程师Christian Hülsmeyer通过1904年取得“电动镜”专利第一次将雷达的实际应用作为专门的技术介绍.直至1922年，Guglielmo Marcone 认识到了可以检测到金属物体的真正潜力，从而预见到短波无线电在晚上或雾中进行船对船检测方面的应用。但是，他没有得到必要的支持或资源来使他的想法商业化。
1935年，有实证显示可能检测飞行中的飞机，证明了Robert Watson-Watt的理论。尽管这件事是一项重大的突破，但并无实际用途。可能检测到物体的存在，但却不能检测到精确位置。从1939年起进行了深入研究，主要是二战期间的军事应用。雷达这个术语是英语无线电探测和测距的首字母缩写，是由美国人引入的，并从那时起一直沿用至今。
从1945年起，雷达技术应用于越来越多的和平应用领域，如车速和距离测量、气象学、材料分析、天文学、微波炉以及最后但也同样重要的工业液位测量。
3 雷达液位测量
基本上，雷达液位测量是基于测量生成的电磁信号的传输时间。示意图如下。
送器产生雷达信号并通过天线发送此信号至应测定液位的容器。雷达信号到达液面时，该信号将被反射并通过相同的传输路径和通常相同的天线使发送器收到回波。已知传输时间t和雷达信号传播速度c，则变送器到液面的距离d可易于计算为：
工艺条件下气体的相对介电常数
正常条件下气体的相对介电常数TN 正常开尔文温度，通常取273.15 K
PN 标准压力，1巴
T 开尔文温度
P 压力
因此，修正系数K可定义为工艺条件下传播速度c与真空（或正常条件）下传播速度（光速）的比率：
但是，应认识到介电常数比此处简花描述要复杂得多的数量。除如温度和压力的工艺参数外，此数量也取决于介质粘度和电偶极矩以及使用雷达信号的频率。考虑尿素合成中液体和气体介质组成包括很多化合物（每个化合物有其自身特定的特性）并不能使事情变得更容易。但是，如前所述，从实际经验中得出尿素合成溶液的DK值对于所用雷达是优良的。
过去几十年中，已发展了几种雷达方法，每一种方法有其自身特定的特性的应用区域。本论文范围不包括不同技术的更多细节。
对于雷达在容器液位测量方面的应用，有几个必须克服的技术难题。如果我们认为电磁雷达波以约300000 km/s的速度传播，那么很容易计算出信号在1m内来回的时间为0.0000000067秒或6.7纳秒。如何测量此将推算出准确容器液位信息的时间？
尿素应用中使用的雷达技术是所谓的脉冲雷达。脉冲雷达每秒发送几百万个短脉冲（0.8 ns）信号，并可测量从变送器通过反射面回到接收器的脉冲传输时间。
获取传输时间的精确测量存在技术困难。如前所述，传输时间是在几纳秒时间范围内，所以为了获得合理精确度，需要微微秒时间测量。需要专门的时间转换来“减缓”原信号速度。使用专门的采样和交叉相关技术，可更易转换极快速时标来操作时间扩展信号。将转换速度从数纳秒降低到毫秒是有意义的。此可以与使用频闪观测器来降低旋转设备的快速周期运动速度相比。虽然此转换从数学上非常复杂，但从技术上来说非常简单，可由现有模拟电路很容易地实现。
低处理能力要求使脉冲雷达技术适合和能够成为两线、回路供电及本质安全技术。因此，能够很容易直接更换现有的两线传感器（如放射性传感器），且不产生大的工程影响。
4 尿素装置中的雷达
尿素应用发展项目开始时的重点是针对合成器和汽提塔的高压合成应用。由于本论文中上述原因，常用技术的替代技术最受欢迎。现有工艺数据需要Vega生产线上生产的Vegapuls 66敏感变送器，但是需要进行若干改进来使仪器适用于尿素合成条件。利用此完美的耐高压尿素/甲铵材料的所有优点制造Safurex®仪器的受潮金属部件是绝对要求。
另一方面，必须补偿管内的微波速度下降。但是，工厂校准后的软件适应将补偿此负面影响。现有汽提塔雷达液位测量布置与下图类似。
如上述对照表中所示，雷达测量能很容易地应用于许多现有汽提塔。安装在测量装置中的所需喷嘴直径减小到2"。必须分别调查偏离的喷嘴尺寸，但一般可以说，至少2"直径的喷嘴足以用于安装雷达液位测量装置。现有的较小喷嘴可能会适合，且无需牺牲壁强度。但是，在这些情况下，必须进行额外的工程。斯塔米卡邦可提供这些额外服务。
合成器的天线表面上不同的。机械限制（搬运、固定等）限制了天线延长部分的长度。竖管（延长部分）应略微在第一合成器托盘上方终结，以使液位装置正常运行。根据合成器的几何结构，这将要求延长部分长度大于6m，但并不实际。因此，可使用喇叭形天线。其依据与竖管式天线依据相同。但是，电磁波通过喇叭“自由”发送至合成器，再由液面反射并由喇叭形天线捕捉到。由于合成器内波的散射，传感器仅回收到极少量的发射能量，通常少于1%。这个事实对天线的设计和安装提出了严格的要求。
虽然尿素装置中雷达液位测量装置的发展重点为高压合成，但是也调查了其他可能。中压（和/或低压）甲胺冷凝器液位槽是众所周知的危险来源。该液位槽是用于高压甲胺泵的吸入容器。液位测量装置通常为差压型装置，特别是上隔膜对甲胺堵塞和结块敏感。一发生这种情况，测量和液位指示可能消失。由于毁坏高压甲胺泵的经济后果严重，可靠的液位测量装置非常重要。同样，在这类应用中，已证明雷达液位测量装置是一个可靠的选择。此应用中的天线是安装于Vegaflex 66传感器的方形Safurex ®杆。
从2007年10月开始，MPCC应用在德国Piesteritz的SKW成功运行。虽然有新建成的喷嘴安装于顶部，但是Safurex®杆仍浸入容器中，且特殊配件固定于容器底部。示意图如下所示。
5 安 全
电磁波的潜在健康危害是一个饱受争议的话题。根据当前的知识，可以假设如果遵守DIN、ANSI（美国国家标准学会）和IRPA（国际辐射防护协会）的指令，就不会有危险。这些指令规定功率密度的限制：1 mW/cm2 (DIN、IRPA)和5 mW/cm2 (ANSI)。雷达变送器的典型传输功率电平是0.1…1 mW，表示天线孔位置的功率电平是100 - 500 W/cm2 （峰值）或小于1 W/cm2（平均值）。相比较而言，移动电话的典型功率密度大于100 W/cm2，而总发射功率超过1 W（瓦特）。由此可以得出结论，工业雷达液位测量装置的运行远低于发射功率的规定限值。下图显示装置的典型功率密度等于且几乎不超过天然本底辐射。
作为尿素装置中传统液位测量技术替代品的雷达测量装置的优势是显而易见的。
由于雷达技术已开发了几十年的时间，现在可认为雷达是一种经证明的成熟技术。由几种应用（目前，其中一些应用已进行一年以上）的经验证明此结论。
处理能力增强和电子元件改进使雷达测量可用于加工工业并增强液位测量的可靠性和精确度。
雷达的精确度不受介质密度或介质DK值变化的影响。工艺温度和压力影响轻微，因此需测量的介质上方的蒸汽组成也有轻微影响。
从维护来看，雷达变送器没有活动部件，且不需要重新校准。
Safurex®用于仪器上的受潮部件保证了尿素装置任何工段的优良性能。
