導(dǎo)波陣列天線雷達液位計在外浮頂原油儲罐中的應(yīng)用

生琳琳

【摘 要】本介紹了雷達液位計的工作原理及特性，并將其導(dǎo)波陣列天線版本應(yīng)用于原油外浮頂罐，有效地解決了原油在導(dǎo)波管內(nèi)的掛壁現(xiàn)象對雷達測量的影響。

【關(guān)鍵詞】雷達液位計 原油儲罐 外浮頂 導(dǎo)波管 陣列天線

浮頂罐已經(jīng)成為了儲備基地普遍采用的原油儲罐，而儲罐的液位數(shù)據(jù)極其重要，不但要防止油罐冒頂、抽真空等事故發(fā)生，還要根據(jù)液位變化計算出儲罐中原油輸轉(zhuǎn)、存儲的體積量。在保障安全生產(chǎn)的前提下完成貿(mào)易交接。目前經(jīng)常采用的液位計主要有伺服式液位計、鋼帶式液位計、磁致伸縮液位計及雷達液位計等幾類，其中前幾種均屬于接觸式的測量原理，對于原油這種粘稠的介質(zhì)，其維護量較大，故障率較高，因此不宜采用。而雷達液位計由于采用了非接觸式的測量原理，因而具有操作簡單、維護方便等優(yōu)點。

1.雷達液位計的特點

雷達液位計之所以受到諸多油田企業(yè)的青睞，主要是因為該測量方法相對于其他方法來說，具有諸多優(yōu)勢。首先，雷達液位計是一體化設(shè)計，在具體使用過程中，各個機械之間不會出現(xiàn)磨損的情況，使用壽命較長。其次，雷達液位計在測量過程中其天線所發(fā)射出來的電磁波，在傳輸?shù)倪^程中不會受到任何介質(zhì)的阻礙，不但能夠及時測量，而且測量的結(jié)果精度高。再次，雷達液位計的測量范圍很大，最大可以達到35m 左右，可以適用于高溫、高壓的液位測量。最后，雷達液位計中所涉及到的天線，所采用的都是高質(zhì)量的材料，具有較強的抗腐蝕性，即使在極其惡劣的環(huán)境下，也能夠正常使用。

2.非接觸式雷達液位計的基本原理

對于非接觸式雷達液位測量，目前存在兩種主要調(diào)制技術(shù)，即脈沖雷達技術(shù)和調(diào)頻連續(xù)波雷達（FMCW）技術(shù)。

（1）非接觸式脈沖雷達發(fā)送微波信號，信號在產(chǎn)品液面反彈并返回測量儀。變送器對發(fā)射信號和接收的回波信號之間的時間差進行測量，然后板載微處理器利用下列公式對液面距離進行計算。

距離=（光速x時間差）/2

只要將應(yīng)用場合的測量參照高度（通常為儲罐或旁通管底部）輸入到變送器的程序中，微處理器即可計算出液位。誤差一般為5～10mm.

（2）調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達也向產(chǎn)品表面?zhèn)魉臀⒉?，但傳送雷達波不再是固定的工作頻率，而是被調(diào)制成圍繞基本工作頻率、以固定速率連續(xù)變化的高頻率信號（GHz級）。雷達信號被液體表面反射后，天線接收回波由于雷達波頻率不斷變化，使回波與新發(fā)射的雷達波的頻率不同而形成頻率差A(yù)f。Af與雷達頭到液面的距離（a）成正比。基于這種頻率數(shù)字信號的FMCW技術(shù)是一種數(shù)字化技術(shù)，它能夠有效地提高信噪比并獲得更高的精度，誤差低于1mm。

這兩種方式的液位計都有其各自的特點，脈動沖式地是在時域中進行信號的分析，而調(diào)頻連續(xù)波是在頻域中進行信號的分析。兩者相比較而言，前者的測量精度較低，但功耗較低，可采用二線制。后者的測量精度較高但功耗大，電子電路較為復(fù)雜，而且必須采用四線制。對于計量級高精度雷達液位計，測量原理可采用調(diào)頻連續(xù)波式（FMCW）。

3.浮頂罐雷達液位計的選型及安裝

3.1浮頂罐雷達液位計的選型

由于原油浮頂儲罐的構(gòu)成介質(zhì)中，涉及到鋼制浮盤，我們曾經(jīng)將帶喇叭天線的雷達安裝在支架上測量其浮盤，但由于浮頂本身在上下移動過程中的擺動、變形等因素，效果不理想。

因此，如何透過浮盤來對儲罐內(nèi)的液位進行有效測量便成為了液位儀表選擇所面臨的一項主要問題。一種解決的辦法是將雷達安裝在浮頂?shù)膶?dǎo)向柱上。但是，由于原油是一種粘度較大的介質(zhì)，當(dāng)其從高液位下降到低液位時，會在導(dǎo)波管內(nèi)產(chǎn)生嚴重的掛壁現(xiàn)象，影響測量效果。目前，可供雷達液位計選擇的天線類型主要有錐形天線（喇叭口）、桿形、導(dǎo)波管陣列天線和拋物面型天線幾種。如圖1：

根據(jù)之前對普通儲罐天線選擇的經(jīng)驗來看，天線發(fā)射電磁波信號的能力以及抗干擾能力與其尺寸是有直接關(guān)系的，尺寸越大，其發(fā)射電磁波的能力就越強，抗干擾能力也隨之增強。反之，則越弱。由此可見，在三種可選天線中，效果最好的應(yīng)該是拋物面型天線，但這種類型的天線只適合普通原油儲罐。根據(jù)浮頂罐的特點，該選擇帶有導(dǎo)波管的雷達天線：即錐形（喇叭口）和陣列天線，利用這種類型的天線對液位進行測量，可以用導(dǎo)波管穿過浮盤進行直接檢測，輕松的解決了上述問題。事實證明，此種方法不僅能夠直接對液位進行測量，而且其測量結(jié)果也非常精確。

在原油外浮頂罐中， 圖2 所示為喇叭天線雷達在有掛壁現(xiàn)象的導(dǎo)波管內(nèi)所測得的回波曲線。圖中實際液位在距離罐頂15.5米 左右，但由于掛壁的影響，雷達指示值經(jīng)常在某高位（距離罐頂4.17米））與實際液位之間跳動。究其原因，是傳統(tǒng)的喇叭天線或桿式天線的電磁波的能量分布特性。圖3所示為喇叭天線所發(fā)射電磁波在導(dǎo)波管中的能量分布。圖中深色部分為能量密度大的部分，淺色部分為能量密度小的部分。從中可以看出，電磁波與導(dǎo)波管的管壁有較大面積的接觸，因此，當(dāng)導(dǎo)波管內(nèi)壁不平整（例如焊縫、粘附等）時，會影響測量的效果。

為了克服導(dǎo)波管內(nèi)壁不平整對測量的影響，我們采用陣列天線這種特殊的天線，它能夠動態(tài)平衡電磁波能量的方向，使其不觸及管壁。這種陣列天線實際上是一個由若干個小天線組成的天線陣，其電磁波在導(dǎo)波管內(nèi)的能量分布如圖4所示。所發(fā)射的電磁波的能量集中在導(dǎo)波管的中心，與管壁接觸部分能量很小，因此其受不平整的管壁的影響也較小。采用陣列天線測量原油浮頂罐液位，在導(dǎo)波管存在掛壁現(xiàn)象是得到的回波曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，與喇叭天線相比，陣列天線的回波曲線中原油掛壁的影響很小，雷達可以很清楚地識別出液位回波。

3.2導(dǎo)波陣列天線在外浮頂原油罐的安裝

外浮頂原油罐上，導(dǎo)波陣列天線一般推薦安裝于儲罐的導(dǎo)向柱上，導(dǎo)向柱要求為DN150、DN200、DN250或DN300固定內(nèi)徑的金屬管。用過的舊導(dǎo)波管必須進行內(nèi)部清洗，而且要求導(dǎo)波管無變形、無生銹或無過多開口。

羅斯蒙特5900S導(dǎo)波管陣列天線有兩種不同的安裝形式，固定型和鉸接蓋型，可滿足多種要求：（1）帶有一片法蘭的固定性導(dǎo)波管陣列天線適用于無需打開儲罐進行人工投尺的場合，易于安裝，如圖

（2）鉸接蓋型的導(dǎo)波管陣列天線適用于需要利用導(dǎo)波管進行人工投尺或抽樣的場合。無需在短管上側(cè)開口。但安裝時需流出一定間距用于開口。如圖

4.結(jié)語

雷達最初只作為軍事用途，現(xiàn)在它已被廣泛應(yīng)用于交通和儀表行業(yè)，并起著舉足輕重的作用。特別是雷達液位計在罐區(qū)液位的測量，它與石油化工自動化相結(jié)合，不僅實現(xiàn)了精確計量，而且也簡化了整個工藝的流程，提高了生產(chǎn)效率，同時也保證了安全生產(chǎn)。對于大型原油外浮頂罐的液位測量，采用導(dǎo)波陣列天線雷達液位計，可以有效地克服原油掛壁的影響，得到理想的測量結(jié)果。

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