雷達(dá)液位計(jì)測(cè)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(guó)外開(kāi)始生產(chǎn)使用的新技術(shù)產(chǎn)品,。它是一種采用微波測(cè)量技術(shù)、非接觸式的液位測(cè)量?jī)x表,。在初期,，它主要用于海船油槽液 位測(cè)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(cè)量以及煉油裝置中液 位的測(cè)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(cè)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(cè)容器的液面發(fā)射，當(dāng)電磁波到達(dá)液面后反射回來(lái),，被同一天線接收并檢測(cè)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(duì)應(yīng)兩種測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(cè)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(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理,，識(shí)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(cè)液位距離成正比關(guān)系的時(shí)間再轉(zhuǎn)換為電信號(hào),。 

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

??從雷達(dá)液位計(jì)的制造商來(lái)看，德國(guó)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(cè)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(cè)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(zhēng)論。事實(shí)上,，目前根據(jù)兩種測(cè)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(jí)雷達(dá)和貿(mào)易計(jì)量級(jí)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(wú)可動(dòng)部件,，不存在機(jī)械磨損，與機(jī)械部件的液位測(cè)量?jī)x表相比使用壽命較長(zhǎng),。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(cè)量，其發(fā)出的微波能穿過(guò)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(cè)量，不受罐內(nèi)液位密度,、濃度等物理特性影響,。測(cè)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(duì)周圍環(huán)境及人員基本上沒(méi)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(cè)介質(zhì)的溫度,、壓力、密度,、粘度及腐蝕性等特性對(duì)其使用性能的影響,。因此，在選型時(shí)一要針對(duì)介質(zhì)在特定工 況下的特性來(lái)選取適宜的天線和表頭,。對(duì)于體積較小,、形狀復(fù)雜的罐體或需測(cè)量多種液體分界面的應(yīng)用場(chǎng)合，推薦采用導(dǎo)波纜天線雷達(dá)液位計(jì),；對(duì)測(cè)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(cè)量的目的選擇不同測(cè)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(guò)硬的 質(zhì)量和滿意的售后服務(wù)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)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(duì)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(duì)測(cè)量范圍有一定影響,，介電常數(shù)較小的液體，對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量距離影響大,，使測(cè)量范圍縮小;介電常數(shù)較大的液體,，對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量距離影響小，使測(cè)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(cè)量精度要求， 可以選用工業(yè)控制級(jí)雷達(dá)液位計(jì)或者貿(mào)易計(jì)量級(jí)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(chǎng)所的結(jié)論。其適用范圍包括以下場(chǎng)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(cè)量，特別適用于大型立罐和球罐等測(cè)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(guò)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(cè)量級(jí)和計(jì)量級(jí)精度,，可滿足不同測(cè)量要求和計(jì)量的要求,。 

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

??各種型號(hào)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(cè)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(lái)分析確定適合選用的型號(hào),。如配備不 同的天線可以滿足各種測(cè)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(cè)量范圍的測(cè)量場(chǎng)所,，而拋物面天線適用于液相與固相 料位的測(cè)量場(chǎng)所,，并可用于極長(zhǎng)距離的測(cè)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(cè)空高的方法來(lái)得到液位高度的,，就是說(shuō)測(cè)量自罐頂測(cè)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(cè)量誤差。所以在實(shí)際使用需要計(jì)量的場(chǎng)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(duì)于超聲波及微波(雷達(dá))液(料)位計(jì)的安裝要求如下: 

??(1)測(cè)量液位的場(chǎng)合，宜垂直向下檢測(cè)安裝,； 

??(2)測(cè)量料位的場(chǎng)合,，微波的波束宜指向料倉(cāng)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(cè)量范圍計(jì)算出來(lái)的zui低液(料)位處的波束半徑,； 

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

??(5)微波的波束途徑應(yīng)避開(kāi)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(cè)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(cè)量相對(duì)介電常數(shù)較 小的介質(zhì)時(shí)用來(lái)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(wú)毛刺,，并且清除鐵銹或雜質(zhì),，以確保測(cè)量精度。 

??六,、結(jié)語(yǔ) 

??液位測(cè)量?jī)x表種類繁多,，每種測(cè)量方式均有其特點(diǎn)和針對(duì)性。雷達(dá)液位計(jì)在液位測(cè)量中可以滿足一定的測(cè)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(cè)介質(zhì)多,，可以達(dá)到較高的測(cè)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(shì)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(guò)高的 價(jià)格，對(duì)介質(zhì)的相對(duì)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(chǎng)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(lái)綜合考慮,，保證經(jīng)濟(jì)適用,、安全 可靠。