劉木林

（浙江省天正設(shè)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(zāi)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(guān)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(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(yīng)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(shè)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(luò)中不同的現(xiàn)場設(shè)備并自動分配地址，還能管理通信，監(jiān)控所有設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(yīng)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(yīng)時，應(yīng)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(shù)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(yīng)用。