計量級雷達液位計在大型儲罐中的應用

劉木林

（浙江省天正設計工程有限公司）

大型儲罐是石油化工行業(yè)的重要組成部分，是企業(yè)存儲、生產(chǎn)和運輸過程的重要環(huán)節(jié)，具有儲量大、占地面積廣及分布集中等特點。 大型儲罐是重大工業(yè)危險源，儲存的產(chǎn)品具有爆炸性和燃燒性，如果發(fā)生泄漏、火災及爆炸等安全事故，將會造成重大人員傷害和財產(chǎn)損失。 液位是大型儲罐實時變化的重要參數(shù)，準確測量液位是大型儲罐生產(chǎn)和安全使用的最重要環(huán)節(jié)。

計量級雷達液位計在大型儲罐中的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在安全節(jié)能、適用范圍廣及準確度高等方面。 大型儲罐體積龐大，通常安置在室外，因此對液位測量儀表的安裝和性能有較高要求。 計量級雷達液位計是一種采用微波測量技術的非接觸式液位測量儀表，在大型儲罐的貿(mào)易計量中使用廣泛。

1 計量級雷達液位計原理與結(jié)構(gòu)

計量級雷達液位計是大型儲罐中液位測量的核心傳感器，采用發(fā)射-反射-接收的工作模式。

1.1 原理

計量級雷達液位計采用通過發(fā)射FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）信號并接收相應的回波，處理后獲得距離與速度信息的原理。 發(fā)射信號通過天線向外輻射， 同時作為混頻器的基準信號解調(diào)回波信號，測量信號頻率差，依據(jù)差值與到液體表面的距離成比例從而計算出液位值。 雷達波形與測距原理如圖1 所示。

圖1 雷達波形及測距原理

計量級雷達液位計由收發(fā)模塊、 電源模塊、天線、信號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，經(jīng)環(huán)行器至天線向外輻射，回波信號由天線接收，經(jīng)環(huán)行器送到接收通道，對回波信號進行諧波混頻、放大、濾波，產(chǎn)生差頻信號，將包含距離信息的信號經(jīng)過A／D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送往信號處理模塊，信號經(jīng)傅里葉變換、檢測處理等后，得到高精度的液位數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場總線送到顯示單元和上位機［1］。 計量級雷達液位計數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 計量級雷達液位計數(shù)據(jù)處理流程

1.2 結(jié)構(gòu)

雷達液位計的結(jié)構(gòu)和工藝工況有很大關系，選型時需綜合考慮介質(zhì)的腐蝕性、粘稠性、結(jié)晶特性、冷凝特性及揮發(fā)特性等。 雷達液位計主要由電子控制單元和天線構(gòu)成，無可動部分，不存在機械磨損。 用于貿(mào)易計量時，需采用高精度、高穩(wěn)定性的計量級雷達液位計。 計量級雷達液位計的結(jié)構(gòu)關鍵是天線，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劢固匦院茫瑴y量范圍大；

b. 導波管陣列天線，安裝在導波管內(nèi)，適用于外浮頂?shù)脑蛢藁騼?nèi)浮頂?shù)某善酚?化工品儲罐；

c. 拋物面天線，適用于固定頂儲罐，粘稠和嚴重凝結(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 儲罐，測量加壓或低溫液化氣的液位。

2 計量級雷達液位計的應用

2.1 配套儀表

液位測量系統(tǒng)一般包括計量級雷達液位計、多點溫度計、數(shù)據(jù)采集單元及現(xiàn)場通信單元等設備。

多點溫度計可測量儲罐內(nèi)多點溫度，利用現(xiàn)場總線通信協(xié)議輸送測量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集單元可收集量值，如液位、溫度和壓力，計算平均溫度、計量密度和容積表，不僅可識別網(wǎng)絡中不同的現(xiàn)場設備并自動分配地址，還能管理通信，監(jiān)控所有設備狀態(tài)。

現(xiàn)場通信單元是一臺數(shù)據(jù)集中器，可通過數(shù)據(jù)采集單元連續(xù)查詢現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

液位測量系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線儀表（如雷達液位計、多點溫度計）提供儲罐的溫度、液位信息，并與DCS 控制系統(tǒng)通信。

每個儲罐設置的測量系統(tǒng)由液位檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元和多點溫度計組成。 信號分組通過接線箱以總線方式連接至機柜間的通信接口單元，最終接入計量管理計算機，通過計算將測量的液位自動轉(zhuǎn)換為體積值或質(zhì)量值，計量管理計算機與DCS 控制系統(tǒng)通信［3］。

每個儲罐的數(shù)據(jù)采集單元采用總線形式，與采用傳統(tǒng)的模擬量儀表相比具有以下優(yōu)勢：

a. 避免了模擬量信號經(jīng)過系統(tǒng)卡件的A/D、D/A 轉(zhuǎn)換后精度損失， 現(xiàn)場顯示的數(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，每個數(shù)據(jù)采樣單元只輸出一路總線信號。

液位測量系統(tǒng)軟件可以分析液位的曲線圖，查看設備和生產(chǎn)的實時/歷史運行情況。計量級雷達液位計自控系統(tǒng)如圖3 所示［4］。

3 計量級雷達液位計的安裝

計量級雷達液位計的正確安裝是保證高精度測量的關鍵，安裝時需要注意以下因素：

a. 遠離罐中心和物料進口，安裝在罐中心容易造成接收不到回波，安裝在物料進口容易造成接收較多的虛假反射回波，計量級雷達液位計安裝位置應距離管壁約儲罐直徑的1/5；

b. 測量角范圍內(nèi)不能有障礙物，計量級雷達液位計的測量原理決定了測量角范圍內(nèi)不能有障礙物；

c. 避免強液位波動的場合， 當儲罐內(nèi)介質(zhì)有較強的攪拌或化學反應時，應采用旁通管或?qū)Рü艿臏y量方式，保證雷達波能夠精確地測量出真實的液位。

圖3 計量級雷達液位計自控系統(tǒng)

4 結(jié)束語

計量級雷達液位計具有精度高、適用范圍廣及安裝維護方便等特點，尤其適用于大型儲罐的連續(xù)液位高精度測量。 隨著科學技術的不斷發(fā)展，計量級雷達液位計將會在大型儲罐的貿(mào)易計量方面得到廣泛的應用。