雷達液位計在油箱計量中的設計應用

　　油罐區是石化工業企業的重要儲藏設施，準確計量油罐區庫存對石化企業產銷具有重要的指導作用，作為油罐區計量中的關鍵儀表，罐區液位計的精度安全性穩定性直接影響石化企業的安全生產經濟效益。 20世紀80年代中期，來自軍事工業的雷達測量技術應用于工業自動化測量領域，由于現代罐頭測量技術有了根本性的飛躍，油罐測量系統在一些案例中解決了長期不能準確測量的難題，雷達液位計以其優異的性能成為罐頭測量計。 結合工程設計項目實例，從原理、特點、選型等多個方面對雷達液位計在油箱計量中的應用進行了周密的研究總結，為今后更合理地使用雷達液位計進行液位測量提供參考。

　　一雷達液位計的工作原理

　　導波雷達液位計采用高頻振蕩器作為雷達波發生器，發生器產生的雷達波通過波導管導入雷達天線，向外部傳播。 雷達波到達探測液面時，一部分被吸收，另一部分由反射雷達天線接收，建立輻射波與反射波的函數關系，實現液位測量[1]。 根據兩種不同的測量原理，雷達液位計主要分為時域脈沖雷達液位計和調頻連續波(FMCW )雷達液位計。

　　時域脈沖雷達電平計通過基于雷達波的時域反射性(TDR )原理測量單脈沖電磁波的傳播時間來進行電平測量[2]，其精度主要取決于時間的準確測量。 雷達波的信號以光速傳播，但在測量油箱液位時，由于雷達波在油箱內的傳播距離短，因此難以保證正確的測量。

　　調頻連續波雷達電平計利用同步調頻脈沖技術，將微波發射器和接收器安裝在油箱頂部，并向液體表面發射微波信號，該微波信號頻率經線性調制。 當微波信號傳播到液體表面之后反射回接收器時，發射信號的頻率由于時間延遲而改變，并且獲得反射波和發射波的頻率差，從而估計雷達波通過的距離[3]。

　　同樣利用雷達波的傳播特性進行液位測量，定義時域脈沖雷達液位計以時間測量為基礎，但時間是連續的模擬量，物理上只能無限近似切割，因此時域脈沖法是仿真技術，只能提供較低的測量精度。 調頻連續波法是一種數字技術，可以提供良好的測量精度和穩定的輸出信號，因為調頻連續波雷達水平計的優點是制造成本相對較低，而調頻連續波雷達水平計可以基于頻率測量，以完整的數字量地進行切割和測量。雙雷達液位計的選擇

　　2.1雷達液位計天線類型

　　天線是雷達液位計測量水平的重要部件，雷達液位計的選擇主要是選擇合適的天線形式。 常用的非接觸式雷達電平儀天線類型主要有喇叭口、拋物面天線和面天線3種，外形結構如圖1所示。

　　三種天線類型的雷達液位計外觀圖

　　喇叭口天線采用點源輻射方式，雷達波為發散球面波，主要用于無波導管圓頂罐的液位測量。 鐘形鼠標天線整體進入容器，溫度與容器環境基本相同，可以防止天線內的冷凝。

　　拋物面天線也同樣采用點源輻射方式，雷達波為發散球面波，允許近罐壁的設置。 通常用于圓頂罐，介質主要是蠟油、渣油、瀝青等粘稠易凝結的高溫油品，罐底部設有加熱蒸汽線圈。 罐內高溫(200左右)產生蒸汽，易在雷達天線部形成凝結水，易發生條帶現象，影響雷達液位計的正確測量，拋物面天線雷達液位計的水滴型設計有效地防止凝結和條帶現象的產生。 另外，拋物面天線波束窄，雷達波能更集中，聚焦性好，能保證高測量精度[4] .

　　平面天線技術(也稱陣列天線技術)采用多源輻射方案，與單點輻射源相比，其測量不是基于特定點而是基于平面，因此所發射的雷達波為平面螺旋波。 主要用于測量裝有波導管的內(外)浮頂罐的液位。 平面天線發射的雷達波具有波束窄、能量集中的特征，因此與波導管管壁接觸的部分能量小，波導管內壁粗糙度的影響也小，油壁對測量的影響也小。

　　2.2介電常數對雷達液位計選型的影響

　　雷達波到達液面反射時，雷達波被吸收并衰減，衰減過多時，雷達液位計無法接收到足夠的信號，測量不正確是被測介質的介電常數對雷達液位計測量的影響[5]。

　　各種油品介質的介電常數如表1所示。 為了克服介電常數的影響，提高反射波能量，對于使用內(外)浮頂罐的介質，對汽油、煤油等介電常數較小的介質使用波導管。 液化氣瓶液位測量，液化氣介電常數低，對雷達波反射能力弱，而液化氣氣相成分吸收部分雷達波信號衰減嚴重，影響雷達液位計的正確測量。 因此，通常選擇另一個測量精度高的接觸式儀表——的伺服水平儀，在此不詳細說明。三雷達液位計的現場總線傳輸方案

　　3.1現場總線傳輸方式

　　雷達液位計提供疊加有HART的4 ma到20ma的輸出信號，并且還提供數字現場總線傳輸方案。 在油品罐區計量系統中，罐區計量信號通過雷達液位計的現場總線傳輸給控制系統。 現場總線可以同時傳輸多個過程參數，顯著簡化了連接線路，降低了成本。 另外，在傳送過程的同時，還能夠一起傳送儀表的識別符和簡單的診斷信息。 由于現場總線是雙向的，可以在控制室內標定、調整、運行診斷現場智能儀表，也可以在故障發生前進行預測。

　　3.2單一油箱計量系統的構成

　　基于雷達液位計的數字信號處理功能和數字現場總線傳輸特征，雷達液位計通過測量罐內介質的水平并接收被測介質的溫度、密度、壓力等遠程傳輸信號，利用現場總線與控制系統進行通信，將所有的信號一起傳輸至控制室單一油箱計量系統的結構如圖2所示。

　　單油箱計量系統結構圖

　　3.3油品罐區雷達液位計的通信系統

　　某雷達液位計的通信系統結構如圖3所示。 現場通信單元(FCU )作為一個網關或數據采集器，在上位機和現場儀表之間發揮連接功能，罐內各罐的雷達水平計通過TRL/2現場總線和FCU進行數據傳輸，FCU和上位機之間通過RS-485總線進行通信，將罐的儀表信號傳輸給上位機

　　罐式液位計選型清單

　　4工程應用實例

　　4.1液位表選型

　　有的項目有4個油品罐區，分別為原油罐區、汽油罐區、油漿及堿渣罐區和液態烴罐區。 根據各盆區介質的特性和罐型，裝備適當的液面水平測量儀，如表2所示。 但是，T——的溫度L——液位——密度P——壓力。

　　根據雷達液位計的選擇原則，易產生揮發性氣體時，使用浮子罐中儲存的汽油和原油(汽油為內浮子罐，原油為外浮子罐)，使用平面天線雷達液位計安裝波導管。 由于介電常數小，可以有效克服電介質對雷達波的反射能力相對較弱的缺點，確保正確的測量。

　　此外，堿渣等介質比較粘稠，容易凝結，因此通常儲存在帶加熱蒸汽線圈的圓頂罐中。 因此，選擇了不受加熱蒸汽影響、聚焦性良好的拋物面天線雷達液位計。

　　液態烴罐選用了伺服液位計。

　　4.2雷達液位計通信系統利用雷達液位計基于現場總線進行數據傳輸的特點，在油罐區建立了水平測量系統。 雷達液位計通信系統的結構如圖4所示。 雷達液位計進行液位測量的3個罐通過3條現場總線與控制室中設置的雷達通信單元通信，雷達通信單元通過RS-485總線與控制系統通信，傳輸各罐的液位，同時將溫度、壓力、密度等測量信號作為雷達液位計

　　油罐區雷達液位計通信系統圖

　　雷達液位計現場總線傳輸方式在施工中主要具有以下優點

　　1 )采用現場總線網絡，解決了分布式油罐的集中檢測問題，使網絡管理更加容易，系統更加實用、穩定、可靠。

　　2 )數字傳輸方式可同時傳輸多個過程變量，大幅簡化了信號連接線路，節省了大量電纜、保護套、槽箱、橋及穿線箱等輔助材料，大幅降低了成本。

　　3 )配線簡單，需要增加現場儀表，只需在附近并聯連接現有網絡，無需鋪設機柜室，節約電纜，減少投資，減少了設計和設置的麻煩。

　　4 )工程實施更加方便，工程周期短，工作量大幅度減少，維護和安裝費用減少。

　　五結語

　　作為智能化的液位測量儀，雷達液位計在罐區油量測量應用中發揮了優勢，非接觸式測量、測量范圍廣、精度高、安裝簡單等優點完全滿足了罐區油量測量精度、可靠性和穩定性的要求， 數字化現場總線傳輸方式不僅節約了成本，而且滿足了現代測量技術向集成化、數字化、網絡化方向發展的要求，雷達液位計將繼續在罐區油量測量中發揮重要作用。