雷達(dá)液位計(jì)測量原理與選型辦法

??雷達(dá)液位計(jì)是20世紀(jì)60年代中期國外開始生產(chǎn)使用的新技術(shù)產(chǎn)品。它是一種采用微波測量技術(shù)、非接觸式的液位測量儀表。在初期，它主要用于海船油槽液 位測量。它克服了以前使用機(jī)械式接觸型液位儀表的諸多缺點(diǎn)，比如清洗的困難和維修的不便等。隨后，雷達(dá)液位計(jì)被用于在岸上儲(chǔ)罐液位的測量以及煉油裝置中液 位的測量。隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用范圍日益廣泛，特別是高精度的特點(diǎn)得到了計(jì)量機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，滿足貿(mào)易交接的物料計(jì)量要求 [1]。 

??一、雷達(dá)液位計(jì)的測量原理與特點(diǎn) 

??雷達(dá)液位計(jì)是利用超高頻電磁波經(jīng)天線向被測容器的液面發(fā)射，當(dāng)電磁波到達(dá)液面后反射回來，被同一天線接收并檢測出發(fā)射波及回波的時(shí)差，從而計(jì)算出液面高度[2]。 

??雷達(dá)液位計(jì)有2種工作模式，分別對應(yīng)兩種測量原理。 

??1.脈沖微波方式(PTOF) 

??這種方式是一種“俯視式”時(shí)間行程測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)經(jīng)過天線以固定的帶寬周期地發(fā)射某一固定頻率的微波脈沖，在被測物料表而產(chǎn)生反射后由雷達(dá)系統(tǒng)所 接收。天線接收反射的微波脈沖并將其傳給電子線路，微處理器對此信號進(jìn)行處理，識別出微波脈沖在物料表而所產(chǎn)生的回波，并據(jù)此計(jì)算液位(如圖1所不)，將 被測液位距離成正比關(guān)系的時(shí)間再轉(zhuǎn)換為電信號。 

??2.調(diào)頻連續(xù)波方式(FMCW) ??這種方式的雷達(dá)液位計(jì)的微波源是x波段的旅控振蕩器，天線發(fā)射的微波是頻率被線形調(diào)制的連續(xù)波，當(dāng)回波被天線接收到時(shí)，微波發(fā)射頻率已經(jīng)改變。發(fā)射波與回波的頻率差正比于天線到液面的距離，以此計(jì)算出液位高度。 

??二、PTOF法與FMCW法的比較 

??對于PTOF方法，脈沖的時(shí)間行程可以直接返回到不受溫度影響的石英振蕩器。對于FMCW方法，必須采用昂貴的振蕩器溫度穩(wěn)定裝置，或安裝內(nèi)部的參考源，通常需要不斷地進(jìn)行校準(zhǔn)。 

??采用 PTOF方法測量的雷達(dá)僅在很少的工作時(shí)間內(nèi)向振蕩系統(tǒng)供電，采用FMCW方法的雷達(dá)液位計(jì)在整個(gè)工作過程期間，約有一半的時(shí)間需向振蕩系統(tǒng)供電。 

??PTOF法的雷達(dá)液位計(jì)制造成本相對較低，F(xiàn)MCW法的雷達(dá)液位計(jì)制造成本相對較高。 

??從雷達(dá)液位計(jì)的制造商來看，德國的Endress + Hauler公司和VECA等公司制造的雷達(dá)液位計(jì)采用的是高精度的微波脈沖測量原理。瑞典的SAAB公司和荷蘭的ENRAF公司生產(chǎn)的雷達(dá)液位計(jì)采用的是調(diào)頻連續(xù)波測量原理。 

??關(guān)于用哪種方法可以得到更高的精度在雷達(dá)液位計(jì)制造商中一直存在著爭論。事實(shí)上，目前根據(jù)兩種測量原理制造的雷達(dá)液位計(jì)均可在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)保證1mm甚至更高的精度。各雷達(dá)液位計(jì)制造商在產(chǎn)品類型方面均可提供工業(yè)控制級雷達(dá)和貿(mào)易計(jì)量級雷達(dá)。 

??三、雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn) 

??1.雷達(dá)液位計(jì)主要由電子控制單元和天線構(gòu)成，無可動(dòng)部件，不存在機(jī)械磨損，與機(jī)械部件的液位測量儀表相比使用壽命較長。真正免維護(hù)。

??2.雷達(dá)液位計(jì)能用于大部分液位的液位測量，其發(fā)出的微波能穿過真空，不需要傳輸媒介，受大氣、蒸汽、罐內(nèi)揮發(fā)霧的影響小。 

??3.采用非接觸式測量，不受罐內(nèi)液位密度、濃度等物理特性影響。測量范圍大、抗腐蝕能力強(qiáng)。 

??4.安裝方便、故障率低、維護(hù)容易、精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 

??5.采用數(shù)字與模擬兩種輸出方式，可以單臺(tái)或多臺(tái)按總線式配置，能方便地與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連接。 

??6.儀表輻射率低，對周圍環(huán)境及人員基本上沒有傷害。 

??四、雷達(dá)液位計(jì)的選型與應(yīng)用 

??雷達(dá)液位計(jì)的種類繁多，選型時(shí)一首先要考慮被測介質(zhì)的溫度、壓力、密度、粘度及腐蝕性等特性對其使用性能的影響。因此，在選型時(shí)一要針對介質(zhì)在特定工 況下的特性來選取適宜的天線和表頭。對于體積較小、形狀復(fù)雜的罐體或需測量多種液體分界面的應(yīng)用場合，推薦采用導(dǎo)波纜天線雷達(dá)液位計(jì)；對測量環(huán)境較復(fù)雜的 罐體，如介質(zhì)易揮發(fā)、腐蝕及高壓和高溫等，推薦使用非接觸天線雷達(dá)液位計(jì)，由于液位計(jì)與介質(zhì)不接觸，就能避免由于介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)影響其計(jì)量精度或?qū)?液位計(jì)本身的損傷。 

??依據(jù)介質(zhì)測量的目的選擇不同測量精度的雷達(dá)液位計(jì)。如果僅用于內(nèi)部成本核算，精度要求不需要太高;如果用于貿(mào)易交接，就必須選擇高精度的雷達(dá)液位計(jì)。 為節(jié)約投資，在計(jì)量精度滿足需求的前提下可選用性價(jià)比高的產(chǎn)品。由于雷達(dá)液位計(jì)的精度、日常維護(hù)和使用壽命直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，所以過硬的 質(zhì)量和滿意的售后服務(wù)對用戶來說至關(guān)重要。 

??選型原則主要從以下幾方面考慮，具體遵循相應(yīng)的儀表選型規(guī)范: 

??(1)儀表性能； 

??(2)介質(zhì)特性； 

??(3)安裝條件； 

??(4)環(huán)境條件； 

??(5)經(jīng)濟(jì)因素。 

??雷達(dá)液位計(jì)由電子控制單元和天線組成，雷達(dá)液位計(jì)的精度在實(shí)際應(yīng)用中與理論環(huán)境下略有差異。主要原因是罐體及其內(nèi)部的障礙物對微波的干擾決定了所能得到的精度。主要因素有: 

??(1)儀表內(nèi)部及天線連接處的阻抗躍變； 

??(2)罐內(nèi)的障礙物的干擾反射； 

??(3)由罐壁、罐頂、及罐底引起的多次反射； 

??(4)液位表面的波紋造成的反射干擾。 

??此外，液位介質(zhì)特性對測量范圍有一定影響，介電常數(shù)較小的液體，對雷達(dá)液位計(jì)的測量距離影響大，使測量范圍縮小;介電常數(shù)較大的液體，對雷達(dá)液位計(jì)的測量距離影響小，使測量范圍增大。

隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，雷達(dá)液位計(jì)也在不斷的改進(jìn)。為了適應(yīng)各種使用環(huán)境的特殊要求，各型雷達(dá)液位計(jì)都實(shí)行了系列化設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的測量精度要求， 可以選用工業(yè)控制級雷達(dá)液位計(jì)或者貿(mào)易計(jì)量級雷達(dá)液位計(jì)。根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)，則可以得出雷達(dá)液位計(jì)適合應(yīng)用于安裝使用方便、工作環(huán)境惡劣、一般機(jī)械儀 表難以適用、精度要求高的場所的結(jié)論。其適用范圍包括以下場合： 

??(1)雷達(dá)液位計(jì)可用于易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕性等介質(zhì)的液位測量，特別適用于大型立罐和球罐等測量。 

??(2)雷達(dá)液位計(jì)適用于從真空到幾兆帕的壓力，從零下到200℃的過程溫度到采用高溫天線時(shí)可達(dá)400℃。 

??(3)儀表的精度分為工業(yè)測量級和計(jì)量級精度，可滿足不同測量要求和計(jì)量的要求。 

??(4)采用不同的安裝方式來滿足球罐、拱頂罐、內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐的測量要求。 

??各種型號的雷達(dá)液位計(jì)的性能各有特色，應(yīng)根據(jù)使用要求、被測介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕特性和使用空間尺寸等具體工況來分析確定適合選用的型號。如配備不 同的天線可以滿足各種測量要求，zui常用的錐體天線可用于安裝在緩沖罐和儲(chǔ)罐的罐頂或其導(dǎo)波管上，適用大測量范圍的測量場所，而拋物面天線適用于液相與固相 料位的測量場所，并可用于極長距離的測量，小的喇叭天線則適用于小型容器，平面天線則適用于多種工況。 

??另外，由于雷達(dá)液位計(jì)是采用測空高的方法來得到液位高度的，就是說測量自罐頂測量參考點(diǎn)到液面的距離。用參照高度(計(jì)量零點(diǎn)至參照點(diǎn)到液面的距離)減 去空高可以得到罐內(nèi)液位高度的實(shí)際值。儲(chǔ)罐內(nèi)液體靜壓力、溫度的改變都會(huì)引起參照高度的隨機(jī)變化，導(dǎo)致測量誤差。所以在實(shí)際使用需要計(jì)量的場合，雷達(dá) 液位計(jì)與多點(diǎn)溫度計(jì)以及壓力變送器共同組成大罐液位計(jì)量系統(tǒng)。 

??五、雷達(dá)液位計(jì)的安裝 

??按照石油化工儀表安裝設(shè)計(jì)規(guī)范(SH/T 3104一2000)的6. 0. 7,對于超聲波及微波(雷達(dá))液(料)位計(jì)的安裝要求如下: 

??(1)測量液位的場合，宜垂直向下檢測安裝； 

??(2)測量料位的場合，微波的波束宜指向料倉底部的出料口； 

??(3)微波的波束中心距容器壁的距離應(yīng)大于由束射角、測量范圍計(jì)算出來的zui低液(料)位處的波束半徑； 

??(4)微波的波束途徑應(yīng)避開容器進(jìn)料流束的噴射范圍；

??(5)微波的波束途徑應(yīng)避開攪拌器及其它障礙物。 

??微波液(料)位計(jì)的安裝，還應(yīng)符合制造廠的要求。 

??此外，浮頂式罐體和具有觀測管的球型罐體，通常使用導(dǎo)波管，主要是為了消除有可能因容器形狀而學(xué)致多重回波產(chǎn)生的干擾影響，或是在測量相對介電常數(shù)較 小的介質(zhì)時(shí)用來提高反射回波能量。安裝時(shí)應(yīng)使液位計(jì)位于導(dǎo)波管中心，導(dǎo)波管的焊縫應(yīng)處理成光滑無毛刺，并且清除鐵銹或雜質(zhì)，以確保測量精度。 

??六、結(jié)語 

??液位測量儀表種類繁多，每種測量方式均有其特點(diǎn)和針對性。雷達(dá)液位計(jì)在液位測量中可以滿足一定的測量要求，其工作性能穩(wěn)定可靠，操作方便安全，抗干擾 能力強(qiáng)，可測介質(zhì)多，可以達(dá)到較高的測量精度，所以雷達(dá)液位計(jì)必然會(huì)以其特點(diǎn)和優(yōu)勢在石化行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。但雷達(dá)液位計(jì)同樣具有其局限性，如過高的 價(jià)格，對介質(zhì)的相對介電常數(shù)有一定要求等。因此在選用時(shí)，應(yīng)按照實(shí)際應(yīng)用場合的需求、工程項(xiàng)目特點(diǎn)、設(shè)計(jì)條件和費(fèi)用等方面來綜合考慮，保證經(jīng)濟(jì)適用、安全 可靠。