雷達液位計測量原理與選型辦法

??雷達液位計是20世紀60年代中期國外開始生產使用的新技術產品。它是一種采用微波測量技術、非接觸式的液位測量儀表。在初期，它主要用于海船油槽液 位測量。它克服了以前使用機械式接觸型液位儀表的諸多缺點，比如清洗的困難和維修的不便等。隨后，雷達液位計被用于在岸上儲罐液位的測量以及煉油裝置中液 位的測量。隨著石油化工行業的不斷發展，雷達液位計的應用范圍日益廣泛，特別是高精度的特點得到了計量機構的認證，滿足貿易交接的物料計量要求 [1]。 

??一、雷達液位計的測量原理與特點 

??雷達液位計是利用超高頻電磁波經天線向被測容器的液面發射，當電磁波到達液面后反射回來，被同一天線接收并檢測出發射波及回波的時差，從而計算出液面高度[2]。 

??雷達液位計有2種工作模式，分別對應兩種測量原理。 

??1.脈沖微波方式(PTOF) 

??這種方式是一種“俯視式”時間行程測量系統，測量系統經過天線以固定的帶寬周期地發射某一固定頻率的微波脈沖，在被測物料表而產生反射后由雷達系統所 接收。天線接收反射的微波脈沖并將其傳給電子線路，微處理器對此信號進行處理，識別出微波脈沖在物料表而所產生的回波，并據此計算液位(如圖1所不)，將 被測液位距離成正比關系的時間再轉換為電信號。 

??2.調頻連續波方式(FMCW) ??這種方式的雷達液位計的微波源是x波段的旅控振蕩器，天線發射的微波是頻率被線形調制的連續波，當回波被天線接收到時，微波發射頻率已經改變。發射波與回波的頻率差正比于天線到液面的距離，以此計算出液位高度。 

??二、PTOF法與FMCW法的比較 

??對于PTOF方法，脈沖的時間行程可以直接返回到不受溫度影響的石英振蕩器。對于FMCW方法，必須采用昂貴的振蕩器溫度穩定裝置，或安裝內部的參考源，通常需要不斷地進行校準。 

??采用 PTOF方法測量的雷達僅在很少的工作時間內向振蕩系統供電，采用FMCW方法的雷達液位計在整個工作過程期間，約有一半的時間需向振蕩系統供電。 

??PTOF法的雷達液位計制造成本相對較低，FMCW法的雷達液位計制造成本相對較高。 

??從雷達液位計的制造商來看，德國的Endress + Hauler公司和VECA等公司制造的雷達液位計采用的是高精度的微波脈沖測量原理。瑞典的SAAB公司和荷蘭的ENRAF公司生產的雷達液位計采用的是調頻連續波測量原理。 

??關于用哪種方法可以得到更高的精度在雷達液位計制造商中一直存在著爭論。事實上，目前根據兩種測量原理制造的雷達液位計均可在相當寬的溫度范圍內保證1mm甚至更高的精度。各雷達液位計制造商在產品類型方面均可提供工業控制級雷達和貿易計量級雷達。 

??三、雷達液位計的特點 

??1.雷達液位計主要由電子控制單元和天線構成，無可動部件，不存在機械磨損，與機械部件的液位測量儀表相比使用壽命較長。真正免維護。

??2.雷達液位計能用于大部分液位的液位測量，其發出的微波能穿過真空，不需要傳輸媒介，受大氣、蒸汽、罐內揮發霧的影響小。 

??3.采用非接觸式測量，不受罐內液位密度、濃度等物理特性影響。測量范圍大、抗腐蝕能力強。 

??4.安裝方便、故障率低、維護容易、精度高、可靠性高等優點。 

??5.采用數字與模擬兩種輸出方式，可以單臺或多臺按總線式配置，能方便地與上位監控計算機相連接。 

??6.儀表輻射率低，對周圍環境及人員基本上沒有傷害。 

??四、雷達液位計的選型與應用 

??雷達液位計的種類繁多，選型時一首先要考慮被測介質的溫度、壓力、密度、粘度及腐蝕性等特性對其使用性能的影響。因此，在選型時一要針對介質在特定工 況下的特性來選取適宜的天線和表頭。對于體積較小、形狀復雜的罐體或需測量多種液體分界面的應用場合，推薦采用導波纜天線雷達液位計；對測量環境較復雜的 罐體，如介質易揮發、腐蝕及高壓和高溫等，推薦使用非接觸天線雷達液位計，由于液位計與介質不接觸，就能避免由于介質的物理和化學性質影響其計量精度或對 液位計本身的損傷。 

??依據介質測量的目的選擇不同測量精度的雷達液位計。如果僅用于內部成本核算，精度要求不需要太高;如果用于貿易交接，就必須選擇高精度的雷達液位計。 為節約投資，在計量精度滿足需求的前提下可選用性價比高的產品。由于雷達液位計的精度、日常維護和使用壽命直接影響企業的生產效率和經濟效益，所以過硬的 質量和滿意的售后服務對用戶來說至關重要。 

??選型原則主要從以下幾方面考慮，具體遵循相應的儀表選型規范: 

??(1)儀表性能； 

??(2)介質特性； 

??(3)安裝條件； 

??(4)環境條件； 

??(5)經濟因素。 

??雷達液位計由電子控制單元和天線組成，雷達液位計的精度在實際應用中與理論環境下略有差異。主要原因是罐體及其內部的障礙物對微波的干擾決定了所能得到的精度。主要因素有: 

??(1)儀表內部及天線連接處的阻抗躍變； 

??(2)罐內的障礙物的干擾反射； 

??(3)由罐壁、罐頂、及罐底引起的多次反射； 

??(4)液位表面的波紋造成的反射干擾。 

??此外，液位介質特性對測量范圍有一定影響，介電常數較小的液體，對雷達液位計的測量距離影響大，使測量范圍縮小;介電常數較大的液體，對雷達液位計的測量距離影響小，使測量范圍增大。

隨著石油化工行業的不斷發展，雷達液位計也在不斷的改進。為了適應各種使用環境的特殊要求，各型雷達液位計都實行了系列化設計。根據不同的測量精度要求， 可以選用工業控制級雷達液位計或者貿易計量級雷達液位計。根據雷達液位計的特點，則可以得出雷達液位計適合應用于安裝使用方便、工作環境惡劣、一般機械儀 表難以適用、精度要求高的場所的結論。其適用范圍包括以下場合： 

??(1)雷達液位計可用于易燃、易爆、強腐蝕性等介質的液位測量，特別適用于大型立罐和球罐等測量。 

??(2)雷達液位計適用于從真空到幾兆帕的壓力，從零下到200℃的過程溫度到采用高溫天線時可達400℃。 

??(3)儀表的精度分為工業測量級和計量級精度，可滿足不同測量要求和計量的要求。 

??(4)采用不同的安裝方式來滿足球罐、拱頂罐、內浮頂罐和外浮頂罐的測量要求。 

??各種型號的雷達液位計的性能各有特色，應根據使用要求、被測介質的溫度、壓力、腐蝕特性和使用空間尺寸等具體工況來分析確定適合選用的型號。如配備不 同的天線可以滿足各種測量要求，zui常用的錐體天線可用于安裝在緩沖罐和儲罐的罐頂或其導波管上，適用大測量范圍的測量場所，而拋物面天線適用于液相與固相 料位的測量場所，并可用于極長距離的測量，小的喇叭天線則適用于小型容器，平面天線則適用于多種工況。 

??另外，由于雷達液位計是采用測空高的方法來得到液位高度的，就是說測量自罐頂測量參考點到液面的距離。用參照高度(計量零點至參照點到液面的距離)減 去空高可以得到罐內液位高度的實際值。儲罐內液體靜壓力、溫度的改變都會引起參照高度的隨機變化，導致測量誤差。所以在實際使用需要計量的場合，雷達 液位計與多點溫度計以及壓力變送器共同組成大罐液位計量系統。 

??五、雷達液位計的安裝 

??按照石油化工儀表安裝設計規范(SH/T 3104一2000)的6. 0. 7,對于超聲波及微波(雷達)液(料)位計的安裝要求如下: 

??(1)測量液位的場合，宜垂直向下檢測安裝； 

??(2)測量料位的場合，微波的波束宜指向料倉底部的出料口； 

??(3)微波的波束中心距容器壁的距離應大于由束射角、測量范圍計算出來的zui低液(料)位處的波束半徑； 

??(4)微波的波束途徑應避開容器進料流束的噴射范圍；

??(5)微波的波束途徑應避開攪拌器及其它障礙物。 

??微波液(料)位計的安裝，還應符合制造廠的要求。 

??此外，浮頂式罐體和具有觀測管的球型罐體，通常使用導波管，主要是為了消除有可能因容器形狀而學致多重回波產生的干擾影響，或是在測量相對介電常數較 小的介質時用來提高反射回波能量。安裝時應使液位計位于導波管中心，導波管的焊縫應處理成光滑無毛刺，并且清除鐵銹或雜質，以確保測量精度。 

??六、結語 

??液位測量儀表種類繁多，每種測量方式均有其特點和針對性。雷達液位計在液位測量中可以滿足一定的測量要求，其工作性能穩定可靠，操作方便安全，抗干擾 能力強，可測介質多，可以達到較高的測量精度，所以雷達液位計必然會以其特點和優勢在石化行業中得到廣泛的應用。但雷達液位計同樣具有其局限性，如過高的 價格，對介質的相對介電常數有一定要求等。因此在選用時，應按照實際應用場合的需求、工程項目特點、設計條件和費用等方面來綜合考慮，保證經濟適用、安全 可靠。