計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)在大型儲(chǔ)罐中的應(yīng)用

劉木林

（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司）

大型儲(chǔ)罐是石油化工行業(yè)的重要組成部分，是企業(yè)存儲(chǔ)、生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，具有儲(chǔ)量大、占地面積廣及分布集中等特點(diǎn)。 大型儲(chǔ)罐是重大工業(yè)危險(xiǎn)源，儲(chǔ)存的產(chǎn)品具有爆炸性和燃燒性，如果發(fā)生泄漏、火災(zāi)及爆炸等安全事故，將會(huì)造成重大人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。 液位是大型儲(chǔ)罐實(shí)時(shí)變化的重要參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量液位是大型儲(chǔ)罐生產(chǎn)和安全使用的最重要環(huán)節(jié)。

計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)在大型儲(chǔ)罐中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在安全節(jié)能、適用范圍廣及準(zhǔn)確度高等方面。 大型儲(chǔ)罐體積龐大，通常安置在室外，因此對(duì)液位測(cè)量?jī)x表的安裝和性能有較高要求。 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)是一種采用微波測(cè)量技術(shù)的非接觸式液位測(cè)量?jī)x表，在大型儲(chǔ)罐的貿(mào)易計(jì)量中使用廣泛。

1 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)原理與結(jié)構(gòu)

計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)是大型儲(chǔ)罐中液位測(cè)量的核心傳感器，采用發(fā)射-反射-接收的工作模式。

1.1 原理

計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)采用通過(guò)發(fā)射FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）信號(hào)并接收相應(yīng)的回波，處理后獲得距離與速度信息的原理。 發(fā)射信號(hào)通過(guò)天線向外輻射， 同時(shí)作為混頻器的基準(zhǔn)信號(hào)解調(diào)回波信號(hào)，測(cè)量信號(hào)頻率差，依據(jù)差值與到液體表面的距離成比例從而計(jì)算出液位值。 雷達(dá)波形與測(cè)距原理如圖1 所示。

圖1 雷達(dá)波形及測(cè)距原理

計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)由收發(fā)模塊、 電源模塊、天線、信號(hào)處理模塊及顯示模塊等單元組成。 收發(fā)模塊產(chǎn)生FMCW 信號(hào)，經(jīng)環(huán)行器至天線向外輻射，回波信號(hào)由天線接收，經(jīng)環(huán)行器送到接收通道，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行諧波混頻、放大、濾波，產(chǎn)生差頻信號(hào)，將包含距離信息的信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送往信號(hào)處理模塊，信號(hào)經(jīng)傅里葉變換、檢測(cè)處理等后，得到高精度的液位數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線送到顯示單元和上位機(jī)［1］。 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)數(shù)據(jù)處理流程

1.2 結(jié)構(gòu)

雷達(dá)液位計(jì)的結(jié)構(gòu)和工藝工況有很大關(guān)系，選型時(shí)需綜合考慮介質(zhì)的腐蝕性、粘稠性、結(jié)晶特性、冷凝特性及揮發(fā)特性等。 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)部分，不存在機(jī)械磨損。 用于貿(mào)易計(jì)量時(shí)，需采用高精度、高穩(wěn)定性的計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)。 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是天線，其天線一般有以下4 種［2］：

a. 喇叭天線，適用于大部分罐區(qū)，安裝在罐頂或?qū)Рü苌希劢固匦院?，測(cè)量范圍大；

b. 導(dǎo)波管陣列天線，安裝在導(dǎo)波管內(nèi)，適用于外浮頂?shù)脑蛢?chǔ)罐或內(nèi)浮頂?shù)某善酚?化工品儲(chǔ)罐；

c. 拋物面天線，適用于固定頂儲(chǔ)罐，粘稠和嚴(yán)重凝結(jié)的產(chǎn)品，可用于瀝青、液態(tài)硫磺等惡劣的工況；

d. LPG/LNG 天線，適用于LPG/LNG 儲(chǔ)罐，測(cè)量加壓或低溫液化氣的液位。

2 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用

2.1 配套儀表

液位測(cè)量系統(tǒng)一般包括計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)、多點(diǎn)溫度計(jì)、數(shù)據(jù)采集單元及現(xiàn)場(chǎng)通信單元等設(shè)備。

多點(diǎn)溫度計(jì)可測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)多點(diǎn)溫度，利用現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議輸送測(cè)量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集單元可收集量值，如液位、溫度和壓力，計(jì)算平均溫度、計(jì)量密度和容積表，不僅可識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并自動(dòng)分配地址，還能管理通信，監(jiān)控所有設(shè)備狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)通信單元是一臺(tái)數(shù)據(jù)集中器，可通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元連續(xù)查詢現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

液位測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線儀表（如雷達(dá)液位計(jì)、多點(diǎn)溫度計(jì)）提供儲(chǔ)罐的溫度、液位信息，并與DCS 控制系統(tǒng)通信。

每個(gè)儲(chǔ)罐設(shè)置的測(cè)量系統(tǒng)由液位檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元和多點(diǎn)溫度計(jì)組成。 信號(hào)分組通過(guò)接線箱以總線方式連接至機(jī)柜間的通信接口單元，最終接入計(jì)量管理計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算將測(cè)量的液位自動(dòng)轉(zhuǎn)換為體積值或質(zhì)量值，計(jì)量管理計(jì)算機(jī)與DCS 控制系統(tǒng)通信［3］。

每個(gè)儲(chǔ)罐的數(shù)據(jù)采集單元采用總線形式，與采用傳統(tǒng)的模擬量?jī)x表相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

a. 避免了模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)卡件的A/D、D/A 轉(zhuǎn)換后精度損失， 現(xiàn)場(chǎng)顯示的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)里的顯示數(shù)據(jù)是一致的；

b. 節(jié)約線纜，每個(gè)數(shù)據(jù)采樣單元只輸出一路總線信號(hào)。

液位測(cè)量系統(tǒng)軟件可以分析液位的曲線圖，查看設(shè)備和生產(chǎn)的實(shí)時(shí)/歷史運(yùn)行情況。計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)自控系統(tǒng)如圖3 所示［4］。

3 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)的安裝

計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)的正確安裝是保證高精度測(cè)量的關(guān)鍵，安裝時(shí)需要注意以下因素：

a. 遠(yuǎn)離罐中心和物料進(jìn)口，安裝在罐中心容易造成接收不到回波，安裝在物料進(jìn)口容易造成接收較多的虛假反射回波，計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)安裝位置應(yīng)距離管壁約儲(chǔ)罐直徑的1/5；

b. 測(cè)量角范圍內(nèi)不能有障礙物，計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理決定了測(cè)量角范圍內(nèi)不能有障礙物；

c. 避免強(qiáng)液位波動(dòng)的場(chǎng)合， 當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)有較強(qiáng)的攪拌或化學(xué)反應(yīng)時(shí)，應(yīng)采用旁通管或?qū)Рü艿臏y(cè)量方式，保證雷達(dá)波能夠精確地測(cè)量出真實(shí)的液位。

圖3 計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)自控系統(tǒng)

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)具有精度高、適用范圍廣及安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，尤其適用于大型儲(chǔ)罐的連續(xù)液位高精度測(cè)量。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)將會(huì)在大型儲(chǔ)罐的貿(mào)易計(jì)量方面得到廣泛的應(yīng)用。