雷達(dá)液位計(jì)在油箱計(jì)量中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　油罐區(qū)是石化工業(yè)企業(yè)的重要儲(chǔ)藏設(shè)施，準(zhǔn)確計(jì)量油罐區(qū)庫存對(duì)石化企業(yè)產(chǎn)銷具有重要的指導(dǎo)作用，作為油罐區(qū)計(jì)量中的關(guān)鍵儀表，罐區(qū)液位計(jì)的精度安全性穩(wěn)定性直接影響石化企業(yè)的安全生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。 20世紀(jì)80年代中期，來自軍事工業(yè)的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量領(lǐng)域，由于現(xiàn)代罐頭測(cè)量技術(shù)有了根本性的飛躍，油罐測(cè)量系統(tǒng)在一些案例中解決了長期不能準(zhǔn)確測(cè)量的難題，雷達(dá)液位計(jì)以其優(yōu)異的性能成為罐頭測(cè)量計(jì)。 結(jié)合工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)例，從原理、特點(diǎn)、選型等多個(gè)方面對(duì)雷達(dá)液位計(jì)在油箱計(jì)量中的應(yīng)用進(jìn)行了周密的研究總結(jié)，為今后更合理地使用雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量提供參考。

　　一雷達(dá)液位計(jì)的工作原理

　　導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用高頻振蕩器作為雷達(dá)波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的雷達(dá)波通過波導(dǎo)管導(dǎo)入雷達(dá)天線，向外部傳播。 雷達(dá)波到達(dá)探測(cè)液面時(shí)，一部分被吸收，另一部分由反射雷達(dá)天線接收，建立輻射波與反射波的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量[1]。 根據(jù)兩種不同的測(cè)量原理，雷達(dá)液位計(jì)主要分為時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW )雷達(dá)液位計(jì)。

　　時(shí)域脈沖雷達(dá)電平計(jì)通過基于雷達(dá)波的時(shí)域反射性(TDR )原理測(cè)量單脈沖電磁波的傳播時(shí)間來進(jìn)行電平測(cè)量[2]，其精度主要取決于時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量。 雷達(dá)波的信號(hào)以光速傳播，但在測(cè)量油箱液位時(shí)，由于雷達(dá)波在油箱內(nèi)的傳播距離短，因此難以保證正確的測(cè)量。

　　調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)電平計(jì)利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在油箱頂部，并向液體表面發(fā)射微波信號(hào)，該微波信號(hào)頻率經(jīng)線性調(diào)制。 當(dāng)微波信號(hào)傳播到液體表面之后反射回接收器時(shí)，發(fā)射信號(hào)的頻率由于時(shí)間延遲而改變，并且獲得反射波和發(fā)射波的頻率差，從而估計(jì)雷達(dá)波通過的距離[3]。

　　同樣利用雷達(dá)波的傳播特性進(jìn)行液位測(cè)量，定義時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)以時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ)，但時(shí)間是連續(xù)的模擬量，物理上只能無限近似切割，因此時(shí)域脈沖法是仿真技術(shù)，只能提供較低的測(cè)量精度。 調(diào)頻連續(xù)波法是一種數(shù)字技術(shù)，可以提供良好的測(cè)量精度和穩(wěn)定的輸出信號(hào)，因?yàn)檎{(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)水平計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是制造成本相對(duì)較低，而調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)水平計(jì)可以基于頻率測(cè)量，以完整的數(shù)字量地進(jìn)行切割和測(cè)量。雙雷達(dá)液位計(jì)的選擇

　　2.1雷達(dá)液位計(jì)天線類型

　　天線是雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量水平的重要部件，雷達(dá)液位計(jì)的選擇主要是選擇合適的天線形式。 常用的非接觸式雷達(dá)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　三種天線類型的雷達(dá)液位計(jì)外觀圖

　　喇叭口天線采用點(diǎn)源輻射方式，雷達(dá)波為發(fā)散球面波，主要用于無波導(dǎo)管圓頂罐的液位測(cè)量。 鐘形鼠標(biāo)天線整體進(jìn)入容器，溫度與容器環(huán)境基本相同，可以防止天線內(nèi)的冷凝。

　　拋物面天線也同樣采用點(diǎn)源輻射方式，雷達(dá)波為發(fā)散球面波，允許近罐壁的設(shè)置。 通常用于圓頂罐，介質(zhì)主要是蠟油、渣油、瀝青等粘稠易凝結(jié)的高溫油品，罐底部設(shè)有加熱蒸汽線圈。 罐內(nèi)高溫(200左右)產(chǎn)生蒸汽，易在雷達(dá)天線部形成凝結(jié)水，易發(fā)生條帶現(xiàn)象，影響雷達(dá)液位計(jì)的正確測(cè)量，拋物面天線雷達(dá)液位計(jì)的水滴型設(shè)計(jì)有效地防止凝結(jié)和條帶現(xiàn)象的產(chǎn)生。 另外，拋物面天線波束窄，雷達(dá)波能更集中，聚焦性好，能保證高測(cè)量精度[4] .

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

　　2.2介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)選型的影響

　　雷達(dá)波到達(dá)液面反射時(shí)，雷達(dá)波被吸收并衰減，衰減過多時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)無法接收到足夠的信號(hào)，測(cè)量不正確是被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的影響[5]。

　　各種油品介質(zhì)的介電常數(shù)如表1所示。 為了克服介電常數(shù)的影響，提高反射波能量，對(duì)于使用內(nèi)(外)浮頂罐的介質(zhì)，對(duì)汽油、煤油等介電常數(shù)較小的介質(zhì)使用波導(dǎo)管。 液化氣瓶液位測(cè)量，液化氣介電常數(shù)低，對(duì)雷達(dá)波反射能力弱，而液化氣氣相成分吸收部分雷達(dá)波信號(hào)衰減嚴(yán)重，影響雷達(dá)液位計(jì)的正確測(cè)量。 因此，通常選擇另一個(gè)測(cè)量精度高的接觸式儀表——的伺服水平儀，在此不詳細(xì)說明。三雷達(dá)液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方案

　　3.1現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式

　　雷達(dá)液位計(jì)提供疊加有HART的4 ma到20ma的輸出信號(hào)，并且還提供數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方案。 在油品罐區(qū)計(jì)量系統(tǒng)中，罐區(qū)計(jì)量信號(hào)通過雷達(dá)液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線可以同時(shí)傳輸多個(gè)過程參數(shù)，顯著簡化了連接線路，降低了成本。 另外，在傳送過程的同時(shí)，還能夠一起傳送儀表的識(shí)別符和簡單的診斷信息。 由于現(xiàn)場(chǎng)總線是雙向的，可以在控制室內(nèi)標(biāo)定、調(diào)整、運(yùn)行診斷現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，也可以在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　3.2單一油箱計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成

　　基于雷達(dá)液位計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理功能和數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸特征，雷達(dá)液位計(jì)通過測(cè)量罐內(nèi)介質(zhì)的水平并接收被測(cè)介質(zhì)的溫度、密度、壓力等遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，將所有的信號(hào)一起傳輸至控制室單一油箱計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　單油箱計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3.3油品罐區(qū)雷達(dá)液位計(jì)的通信系統(tǒng)

　　某雷達(dá)液位計(jì)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。 現(xiàn)場(chǎng)通信單元(FCU )作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)采集器，在上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間發(fā)揮連接功能，罐內(nèi)各罐的雷達(dá)水平計(jì)通過TRL/2現(xiàn)場(chǎng)總線和FCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)CU和上位機(jī)之間通過RS-485總線進(jìn)行通信，將罐的儀表信號(hào)傳輸給上位機(jī)

　　罐式液位計(jì)選型清單

　　4工程應(yīng)用實(shí)例

　　4.1液位表選型

　　有的項(xiàng)目有4個(gè)油品罐區(qū)，分別為原油罐區(qū)、汽油罐區(qū)、油漿及堿渣罐區(qū)和液態(tài)烴罐區(qū)。 根據(jù)各盆區(qū)介質(zhì)的特性和罐型，裝備適當(dāng)?shù)囊好嫠綔y(cè)量儀，如表2所示。 但是，T——的溫度L——液位——密度P——壓力。

　　根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)的選擇原則，易產(chǎn)生揮發(fā)性氣體時(shí)，使用浮子罐中儲(chǔ)存的汽油和原油(汽油為內(nèi)浮子罐，原油為外浮子罐)，使用平面天線雷達(dá)液位計(jì)安裝波導(dǎo)管。 由于介電常數(shù)小，可以有效克服電介質(zhì)對(duì)雷達(dá)波的反射能力相對(duì)較弱的缺點(diǎn)，確保正確的測(cè)量。

　　此外，堿渣等介質(zhì)比較粘稠，容易凝結(jié)，因此通常儲(chǔ)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(dá)液位計(jì)。

　　液態(tài)烴罐選用了伺服液位計(jì)。

　　4.2雷達(dá)液位計(jì)通信系統(tǒng)利用雷達(dá)液位計(jì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在油罐區(qū)建立了水平測(cè)量系統(tǒng)。 雷達(dá)液位計(jì)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。 雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量的3個(gè)罐通過3條現(xiàn)場(chǎng)總線與控制室中設(shè)置的雷達(dá)通信單元通信，雷達(dá)通信單元通過RS-485總線與控制系統(tǒng)通信，傳輸各罐的液位，同時(shí)將溫度、壓力、密度等測(cè)量信號(hào)作為雷達(dá)液位計(jì)

　　油罐區(qū)雷達(dá)液位計(jì)通信系統(tǒng)圖

　　雷達(dá)液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式在施工中主要具有以下優(yōu)點(diǎn)

　　1 )采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，解決了分布式油罐的集中檢測(cè)問題，使網(wǎng)絡(luò)管理更加容易，系統(tǒng)更加實(shí)用、穩(wěn)定、可靠。

　　2 )數(shù)字傳輸方式可同時(shí)傳輸多個(gè)過程變量，大幅簡化了信號(hào)連接線路，節(jié)省了大量電纜、保護(hù)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(xiàn)場(chǎng)儀表，只需在附近并聯(lián)連接現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，無需鋪設(shè)機(jī)柜室，節(jié)約電纜，減少投資，減少了設(shè)計(jì)和設(shè)置的麻煩。

　　4 )工程實(shí)施更加方便，工程周期短，工作量大幅度減少，維護(hù)和安裝費(fèi)用減少。

　　五結(jié)語

　　作為智能化的液位測(cè)量儀，雷達(dá)液位計(jì)在罐區(qū)油量測(cè)量應(yīng)用中發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)，非接觸式測(cè)量、測(cè)量范圍廣、精度高、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)完全滿足了罐區(qū)油量測(cè)量精度、可靠性和穩(wěn)定性的要求， 數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式不僅節(jié)約了成本，而且滿足了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)向集成化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的要求，雷達(dá)液位計(jì)將繼續(xù)在罐區(qū)油量測(cè)量中發(fā)揮重要作用。