雷达液位计在油箱计量中的设计应用

　　油罐区是石化工业企业的重要储藏设施，准确计量油罐区库存对石化企业产销具有重要的指导作用，作为油罐区计量中的关键仪表，罐区液位计的精度安全性稳定性直接影响石化企业的安全生产经济效益。 20世纪80年代中期，来自军事工业的雷达测量技术应用于工业自动化测量领域，由于现代罐头测量技术有了根本性的飞跃，油罐测量系统在一些案例中解决了长期不能准确测量的难题，雷达液位计以其优异的性能成为罐头测量计。 结合工程设计项目实例，从原理、特点、选型等多个方面对雷达液位计在油箱计量中的应用进行了周密的研究总结，为今后更合理地使用雷达液位计进行液位测量提供参考。

　　一雷达液位计的工作原理

　　导波雷达液位计采用高频振荡器作为雷达波发生器，发生器产生的雷达波通过波导管导入雷达天线，向外部传播。 雷达波到达探测液面时，一部分被吸收，另一部分由反射雷达天线接收，建立辐射波与反射波的函数关系，实现液位测量[1]。 根据两种不同的测量原理，雷达液位计主要分为时域脉冲雷达液位计和调频连续波(FMCW )雷达液位计。

　　时域脉冲雷达电平计通过基于雷达波的时域反射性(TDR )原理测量单脉冲电磁波的传播时间来进行电平测量[2]，其精度主要取决于时间的准确测量。 雷达波的信号以光速传播，但在测量油箱液位时，由于雷达波在油箱内的传播距离短，因此难以保证正确的测量。

　　调频连续波雷达电平计利用同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在油箱顶部，并向液体表面发射微波信号，该微波信号频率经线性调制。 当微波信号传播到液体表面之后反射回接收器时，发射信号的频率由于时间延迟而改变，并且获得反射波和发射波的频率差，从而估计雷达波通过的距离[3]。

　　同样利用雷达波的传播特性进行液位测量，定义时域脉冲雷达液位计以时间测量为基础，但时间是连续的模拟量，物理上只能无限近似切割，因此时域脉冲法是仿真技术，只能提供较低的测量精度。 调频连续波法是一种数字技术，可以提供良好的测量精度和稳定的输出信号，因为调频连续波雷达水平计的优点是制造成本相对较低，而调频连续波雷达水平计可以基于频率测量，以完整的数字量地进行切割和测量。双雷达液位计的选择

　　2.1雷达液位计天线类型

　　天线是雷达液位计测量水平的重要部件，雷达液位计的选择主要是选择合适的天线形式。 常用的非接触式雷达电平仪天线类型主要有喇叭口、抛物面天线和面天线3种，外形结构如图1所示。

　　三种天线类型的雷达液位计外观图

　　喇叭口天线采用点源辐射方式，雷达波为发散球面波，主要用于无波导管圆顶罐的液位测量。 钟形鼠标天线整体进入容器，温度与容器环境基本相同，可以防止天线内的冷凝。

　　抛物面天线也同样采用点源辐射方式，雷达波为发散球面波，允许近罐壁的设置。 通常用于圆顶罐，介质主要是蜡油、渣油、沥青等粘稠易凝结的高温油品，罐底部设有加热蒸汽线圈。 罐内高温(200左右)产生蒸汽，易在雷达天线部形成凝结水，易发生条带现象，影响雷达液位计的正确测量，抛物面天线雷达液位计的水滴型设计有效地防止凝结和条带现象的产生。 另外，抛物面天线波束窄，雷达波能更集中，聚焦性好，能保证高测量精度[4] .

　　平面天线技术(也称阵列天线技术)采用多源辐射方案，与单点辐射源相比，其测量不是基于特定点而是基于平面，因此所发射的雷达波为平面螺旋波。 主要用于测量装有波导管的内(外)浮顶罐的液位。 平面天线发射的雷达波具有波束窄、能量集中的特征，因此与波导管管壁接触的部分能量小，波导管内壁粗糙度的影响也小，油壁对测量的影响也小。

　　2.2介电常数对雷达液位计选型的影响

　　雷达波到达液面反射时，雷达波被吸收并衰减，衰减过多时，雷达液位计无法接收到足够的信号，测量不正确是被测介质的介电常数对雷达液位计测量的影响[5]。

　　各种油品介质的介电常数如表1所示。 为了克服介电常数的影响，提高反射波能量，对于使用内(外)浮顶罐的介质，对汽油、煤油等介电常数较小的介质使用波导管。 液化气瓶液位测量，液化气介电常数低，对雷达波反射能力弱，而液化气气相成分吸收部分雷达波信号衰减严重，影响雷达液位计的正确测量。 因此，通常选择另一个测量精度高的接触式仪表——的伺服水平仪，在此不详细说明。三雷达液位计的现场总线传输方案

　　3.1现场总线传输方式

　　雷达液位计提供叠加有HART的4 ma到20ma的输出信号，并且还提供数字现场总线传输方案。 在油品罐区计量系统中，罐区计量信号通过雷达液位计的现场总线传输给控制系统。 现场总线可以同时传输多个过程参数，显着简化了连接线路，降低了成本。 另外，在传送过程的同时，还能够一起传送仪表的识别符和简单的诊断信息。 由于现场总线是双向的，可以在控制室内标定、调整、运行诊断现场智能仪表，也可以在故障发生前进行预测。

　　3.2单一油箱计量系统的构成

　　基于雷达液位计的数字信号处理功能和数字现场总线传输特征，雷达液位计通过测量罐内介质的水平并接收被测介质的温度、密度、压力等远程传输信号，利用现场总线与控制系统进行通信，将所有的信号一起传输至控制室单一油箱计量系统的结构如图2所示。

　　单油箱计量系统结构图

　　3.3油品罐区雷达液位计的通信系统

　　某雷达液位计的通信系统结构如图3所示。 现场通信单元(FCU )作为一个网关或数据采集器，在上位机和现场仪表之间发挥连接功能，罐内各罐的雷达水平计通过TRL/2现场总线和FCU进行数据传输，FCU和上位机之间通过RS-485总线进行通信，将罐的仪表信号传输给上位机

　　罐式液位计选型清单

　　4工程应用实例

　　4.1液位表选型

　　有的项目有4个油品罐区，分别为原油罐区、汽油罐区、油浆及碱渣罐区和液态烃罐区。 根据各盆区介质的特性和罐型，装备适当的液面水平测量仪，如表2所示。 但是，T——的温度L——液位——密度P——压力。

　　根据雷达液位计的选择原则，易产生挥发性气体时，使用浮子罐中储存的汽油和原油(汽油为内浮子罐，原油为外浮子罐)，使用平面天线雷达液位计安装波导管。 由于介电常数小，可以有效克服电介质对雷达波的反射能力相对较弱的缺点，确保正确的测量。

　　此外，碱渣等介质比较粘稠，容易凝结，因此通常储存在带加热蒸汽线圈的圆顶罐中。 因此，选择了不受加热蒸汽影响、聚焦性良好的抛物面天线雷达液位计。

　　液态烃罐选用了伺服液位计。

　　4.2雷达液位计通信系统利用雷达液位计基于现场总线进行数据传输的特点，在油罐区建立了水平测量系统。 雷达液位计通信系统的结构如图4所示。 雷达液位计进行液位测量的3个罐通过3条现场总线与控制室中设置的雷达通信单元通信，雷达通信单元通过RS-485总线与控制系统通信，传输各罐的液位，同时将温度、压力、密度等测量信号作为雷达液位计

　　油罐区雷达液位计通信系统图

　　雷达液位计现场总线传输方式在施工中主要具有以下优点

　　1 )采用现场总线网络，解决了分布式油罐的集中检测问题，使网络管理更加容易，系统更加实用、稳定、可靠。

　　2 )数字传输方式可同时传输多个过程变量，大幅简化了信号连接线路，节省了大量电缆、保护套、槽箱、桥及穿线箱等辅助材料，大幅降低了成本。

　　3 )配线简单，需要增加现场仪表，只需在附近并联连接现有网络，无需铺设机柜室，节约电缆，减少投资，减少了设计和设置的麻烦。

　　4 )工程实施更加方便，工程周期短，工作量大幅度减少，维护和安装费用减少。

　　五结语

　　作为智能化的液位测量仪，雷达液位计在罐区油量测量应用中发挥了优势，非接触式测量、测量范围广、精度高、安装简单等优点完全满足了罐区油量测量精度、可靠性和稳定性的要求， 数字化现场总线传输方式不仅节约了成本，而且满足了现代测量技术向集成化、数字化、网络化方向发展的要求，雷达液位计将继续在罐区油量测量中发挥重要作用。