雷達液位計在油箱計量中的設計應用

　　油罐區(qū)是石化工業(yè)企業(yè)的重要儲藏設施，準確計量油罐區(qū)庫存對石化企業(yè)產(chǎn)銷具有重要的指導作用，作為油罐區(qū)計量中的關(guān)鍵儀表，罐區(qū)液位計的精度安全性穩(wěn)定性直接影響石化企業(yè)的安全生產(chǎn)經(jīng)濟效益。 20世紀80年代中期，來自軍事工業(yè)的雷達測量技術(shù)應用于工業(yè)自動化測量領域，由于現(xiàn)代罐頭測量技術(shù)有了根本性的飛躍，油罐測量系統(tǒng)在一些案例中解決了長期不能準確測量的難題，雷達液位計以其優(yōu)異的性能成為罐頭測量計。 結(jié)合工程設計項目實例，從原理、特點、選型等多個方面對雷達液位計在油箱計量中的應用進行了周密的研究總結(jié)，為今后更合理地使用雷達液位計進行液位測量提供參考。

　　一雷達液位計的工作原理

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

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

　　調(diào)頻連續(xù)波雷達電平計利用同步調(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，該微波信號頻率經(jīng)線性調(diào)制。 當微波信號傳播到液體表面之后反射回接收器時，發(fā)射信號的頻率由于時間延遲而改變，并且獲得反射波和發(fā)射波的頻率差，從而估計雷達波通過的距離[3]。

　　同樣利用雷達波的傳播特性進行液位測量，定義時域脈沖雷達液位計以時間測量為基礎，但時間是連續(xù)的模擬量，物理上只能無限近似切割，因此時域脈沖法是仿真技術(shù)，只能提供較低的測量精度。 調(diào)頻連續(xù)波法是一種數(shù)字技術(shù)，可以提供良好的測量精度和穩(wěn)定的輸出信號，因為調(diào)頻連續(xù)波雷達水平計的優(yōu)點是制造成本相對較低，而調(diào)頻連續(xù)波雷達水平計可以基于頻率測量，以完整的數(shù)字量地進行切割和測量。雙雷達液位計的選擇

　　2.1雷達液位計天線類型

　　天線是雷達液位計測量水平的重要部件，雷達液位計的選擇主要是選擇合適的天線形式。 常用的非接觸式雷達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液位計外觀圖

　　喇叭口天線采用點源輻射方式，雷達波為發(fā)散球面波，主要用于無波導管圓頂罐的液位測量。 鐘形鼠標天線整體進入容器，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源輻射方式，雷達波為發(fā)散球面波，允許近罐壁的設置。 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，罐底部設有加熱蒸汽線圈。 罐內(nèi)高溫(200左右)產(chǎn)生蒸汽，易在雷達天線部形成凝結(jié)水，易發(fā)生條帶現(xiàn)象，影響雷達液位計的正確測量，拋物面天線雷達液位計的水滴型設計有效地防止凝結(jié)和條帶現(xiàn)象的產(chǎn)生。 另外，拋物面天線波束窄，雷達波能更集中，聚焦性好，能保證高測量精度[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，與單點輻射源相比，其測量不是基于特定點而是基于平面，因此所發(fā)射的雷達波為平面螺旋波。 主要用于測量裝有波導管的內(nèi)(外)浮頂罐的液位。 平面天線發(fā)射的雷達波具有波束窄、能量集中的特征，因此與波導管管壁接觸的部分能量小，波導管內(nèi)壁粗糙度的影響也小，油壁對測量的影響也小。

　　2.2介電常數(shù)對雷達液位計選型的影響

　　雷達波到達液面反射時，雷達波被吸收并衰減，衰減過多時，雷達液位計無法接收到足夠的信號，測量不正確是被測介質(zhì)的介電常數(shù)對雷達液位計測量的影響[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，對于使用內(nèi)(外)浮頂罐的介質(zhì)，對汽油、煤油等介電常數(shù)較小的介質(zhì)使用波導管。 液化氣瓶液位測量，液化氣介電常數(shù)低，對雷達波反射能力弱，而液化氣氣相成分吸收部分雷達波信號衰減嚴重，影響雷達液位計的正確測量。 因此，通常選擇另一個測量精度高的接觸式儀表——的伺服水平儀，在此不詳細說明。三雷達液位計的現(xiàn)場總線傳輸方案

　　3.1現(xiàn)場總線傳輸方式

　　雷達液位計提供疊加有HART的4 ma到20ma的輸出信號，并且還提供數(shù)字現(xiàn)場總線傳輸方案。 在油品罐區(qū)計量系統(tǒng)中，罐區(qū)計量信號通過雷達液位計的現(xiàn)場總線傳輸給控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線可以同時傳輸多個過程參數(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，還能夠一起傳送儀表的識別符和簡單的診斷信息。 由于現(xiàn)場總線是雙向的，可以在控制室內(nèi)標定、調(diào)整、運行診斷現(xiàn)場智能儀表，也可以在故障發(fā)生前進行預測。

　　3.2單一油箱計量系統(tǒng)的構(gòu)成

　　基于雷達液位計的數(shù)字信號處理功能和數(shù)字現(xiàn)場總線傳輸特征，雷達液位計通過測量罐內(nèi)介質(zhì)的水平并接收被測介質(zhì)的溫度、密度、壓力等遠程傳輸信號，利用現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)進行通信，將所有的信號一起傳輸至控制室單一油箱計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　單油箱計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3.3油品罐區(qū)雷達液位計的通信系統(tǒng)

　　某雷達液位計的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。 現(xiàn)場通信單元(FCU )作為一個網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)采集器，在上位機和現(xiàn)場儀表之間發(fā)揮連接功能，罐內(nèi)各罐的雷達水平計通過TRL/2現(xiàn)場總線和FCU進行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)CU和上位機之間通過RS-485總線進行通信，將罐的儀表信號傳輸給上位機

　　罐式液位計選型清單

　　4工程應用實例

　　4.1液位表選型

　　有的項目有4個油品罐區(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?shù)囊好嫠綔y量儀，如表2所示。 但是，T——的溫度L——液位——密度P——壓力。

　　根據(jù)雷達液位計的選擇原則，易產(chǎn)生揮發(fā)性氣體時，使用浮子罐中儲存的汽油和原油(汽油為內(nèi)浮子罐，原油為外浮子罐)，使用平面天線雷達液位計安裝波導管。 由于介電常數(shù)小，可以有效克服電介質(zhì)對雷達波的反射能力相對較弱的缺點，確保正確的測量。

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

　　液態(tài)烴罐選用了伺服液位計。

　　4.2雷達液位計通信系統(tǒng)利用雷達液位計基于現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，在油罐區(qū)建立了水平測量系統(tǒng)。 雷達液位計通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。 雷達液位計進行液位測量的3個罐通過3條現(xiàn)場總線與控制室中設置的雷達通信單元通信，雷達通信單元通過RS-485總線與控制系統(tǒng)通信，傳輸各罐的液位，同時將溫度、壓力、密度等測量信號作為雷達液位計

　　油罐區(qū)雷達液位計通信系統(tǒng)圖

　　雷達液位計現(xiàn)場總線傳輸方式在施工中主要具有以下優(yōu)點

　　1 )采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，解決了分布式油罐的集中檢測問題，使網(wǎng)絡管理更加容易，系統(tǒng)更加實用、穩(wěn)定、可靠。

　　2 )數(shù)字傳輸方式可同時傳輸多個過程變量，大幅簡化了信號連接線路，節(jié)省了大量電纜、保護套、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)場儀表，只需在附近并聯(lián)連接現(xiàn)有網(wǎng)絡，無需鋪設機柜室，節(jié)約電纜，減少投資，減少了設計和設置的麻煩。

　　4 )工程實施更加方便，工程周期短，工作量大幅度減少，維護和安裝費用減少。

　　五結(jié)語

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