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雷達(dá)液位計(jì)在大型油庫(kù)儲(chǔ)罐的應(yīng)用及選型建議
發(fā)布時(shí)間：2018-06-26 01:12:00??點(diǎn)擊次數(shù)：2212次
摘要：目前隨著油庫(kù)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了各種形式的儲(chǔ)罐液位計(jì)及庫(kù)存管理系統(tǒng)。高精度液位計(jì)中應(yīng)用范圍*廣的就是雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)有多種形式和不同的安裝方式。應(yīng)用人員在設(shè)計(jì)選型容易混淆，文章從工作原理、介質(zhì)特性、天線形式和安裝注意事項(xiàng)幾方面進(jìn)行研究分析，結(jié)合在大型油庫(kù)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，給出了選型建議。
目前國(guó)內(nèi)外用于貿(mào)易交接計(jì)量的儲(chǔ)罐液位自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)通常是混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)（HTMS，hybridtan kmeasurement system）。HTMS中*常用的就是雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)沒有活動(dòng)部件，沒有機(jī)械磨損，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)工作時(shí)間一般都能達(dá)到10年，不污染環(huán)境，安裝方便。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)比較粘稠、腐蝕性強(qiáng)時(shí)，非常適用。雷達(dá)液位計(jì)的精度高，工作溫度范圍寬，*大工作壓力可達(dá)4MPa，測(cè)量范圍為0~40m。通過采用不同的天線形式及導(dǎo)波管的應(yīng)用能夠滿足測(cè)量大部分儲(chǔ)罐液位的要求。
1、工作原理及分類
滿足貿(mào)易交接計(jì)量精度（±1mm）的雷達(dá)都是非接觸式雷達(dá)液位計(jì)。從測(cè)量原理上基本分為2大類：
（1）基于時(shí)間差法（time of flight）：天線發(fā)射以光速傳播的電磁波，當(dāng)滯后一段時(shí)間電磁波碰到液面后，會(huì)反射回來。距離與滯后時(shí)間成正比，儀表通過測(cè)出從發(fā)射到接受之間的滯后時(shí)間，來確定設(shè)定面與反射面之間的距離（空高）。
（2）復(fù)合調(diào)頻式原理（FMCW）。線性調(diào)頻的等幅微波信號(hào)通過天線發(fā)射出去，遇到障礙物時(shí)被反射回來，延遲一段時(shí)間后，儀表接受被反射回來的微波信號(hào)，并與部分發(fā)射波混頻。混頻輸出信號(hào)的頻率與被測(cè)距離成正比。當(dāng)固態(tài)源的調(diào)制頻率和頻偏一定時(shí)，只要測(cè)出差頻頻率，通過信號(hào)處理技術(shù)就可以計(jì)算得到距離（空高）。
2、液位測(cè)量影響因素
2.1 罐內(nèi)溫度對(duì)儀表測(cè)量精度的影響
雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波在真空中也可以傳播。在空氣中傳播時(shí)，溫度變化基本不影響其傳播速率。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，其帶來的反射時(shí)間變化很小。
2.2 罐內(nèi)壓力對(duì)儀表測(cè)量精度的影響
微波傳播幾乎不受空氣密度變化的影響，因此雷達(dá)液位計(jì)能在真空或受壓狀態(tài)下正常工作，真空狀態(tài)下微波傳播速率相對(duì)空氣狀態(tài)下僅變化0.029％；但當(dāng)操作壓力高到某一范圍時(shí)，壓力對(duì)測(cè)量帶來的誤差就不容忽視。
2.3 介質(zhì)特性對(duì)測(cè)量的影響
液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、液體表面的穩(wěn)定程度和氣泡等因素都會(huì)影響雷達(dá)波信號(hào)的反射，可能導(dǎo)致液位計(jì)無法正常工作。
雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量罐內(nèi)液面時(shí)，*好是穩(wěn)定的，規(guī)則的液面。但是當(dāng)液體有流進(jìn)流出時(shí)，會(huì)有波浪使液面波動(dòng)，在生產(chǎn)過程中還可能出現(xiàn)沸騰或起泡沫的現(xiàn)象，使液面變得模糊。
電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的介電常數(shù)越小，衰減率越大，衰減率大了反射率就小。所以介電常數(shù)小--反射率弱--信號(hào)強(qiáng)度低。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)小到一定值時(shí)，雷達(dá)波的有效反射信號(hào)衰減過大，儀表接受到的反射波能量過小，再加上干擾波會(huì)導(dǎo)致液位計(jì)無法正常工作。不同公司的雷達(dá)液位計(jì)對(duì)*小相對(duì)介電常數(shù)的要求是不同的，這是因?yàn)榻殡姵?shù)的大小與溫度和電磁場(chǎng)有關(guān)。但是通過其他措施減少電磁波反射能量損失或提高儀表內(nèi)部的信號(hào)處理技術(shù)，儀表對(duì)相對(duì)介電常數(shù)*低值的硬性要求也越來越小。
目前主要廠商（如：Honeywell，Saab）的產(chǎn)品可以測(cè)量相對(duì)介電常數(shù)只有1.2的介質(zhì)。
對(duì)于沸騰或擾動(dòng)大的液面或被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)小，或?yàn)橄齼?chǔ)罐、容器結(jié)構(gòu)形狀可能導(dǎo)致的干擾影響，應(yīng)采用導(dǎo)波管及其它措施，增強(qiáng)回波信號(hào)，以確保測(cè)量精度。
3、天線形式及設(shè)計(jì)選型
天線的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的特性，儲(chǔ)罐類型、開口、罐內(nèi)溫度、壓力等因素確定。常見的形式有喇叭形（錐形）天線，拋物面天線，導(dǎo)波管陣列（平面）天線和棒狀天線等。
對(duì)于常規(guī)的拱頂罐，雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)是喇叭形（錐形）天線設(shè)計(jì)，可無需使用導(dǎo)向管，且可以靠近罐壁安裝，并保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。
對(duì)于比較粘稠和需要伴熱的拱頂罐，具有抗粘連能力的拋物面天線雷達(dá)非常適合，通常不用設(shè)導(dǎo)波管。
對(duì)于浮頂罐，雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)采用平面天線設(shè)計(jì)，以便于安裝在油罐的導(dǎo)波管上。
對(duì)于高壓球罐，天線形式為加長(zhǎng)喇叭口天線配導(dǎo)波管，還要配套提供一體化球閥，便于雷達(dá)液位計(jì)在帶壓狀態(tài)下的維護(hù)。為了在儲(chǔ)罐帶壓運(yùn)行條件下進(jìn)行測(cè)量校驗(yàn)，需要安裝參考設(shè)備：在導(dǎo)波管孔內(nèi)的參考針以及位于下方管道末端的帶參考環(huán)的反射板可在固定距離和已知的距離提供參考回波。
4、安裝注意事項(xiàng)
雷達(dá)液位要杜絕安裝儲(chǔ)罐頂部的中心處，這是因?yàn)樘炀€發(fā)射的電磁波是在罐內(nèi)整個(gè)空間傳播的，罐壁和罐底反回來的電磁波會(huì)集中在中心處，形成很大的干擾，會(huì)淹沒正常的從介質(zhì)表面反射回來的電磁波。
采用喇叭天線雷達(dá)液位計(jì)，天線伸出接管至少10mm，如果在容器上的接管長(zhǎng)度無法滿足上述要求，可以使用天線延伸管或咨詢制造廠設(shè)計(jì)合適的接管長(zhǎng)度。
沒有配置導(dǎo)波管的雷達(dá)液位計(jì)根據(jù)天線形式的不同，所要求的儀表安裝連接短管距罐內(nèi)壁的距離也不同。通常，液位計(jì)連接短管中心距管內(nèi)壁的距離不宜小于波束寬的1/2。波束寬=2×測(cè)量距離×tan（波束角/2），波束角為雷達(dá)波能力密度達(dá)到*大值的一半時(shí)的角度。當(dāng)天線發(fā)射的微波頻率固定時(shí)，尺寸越大，波束角越小。拋物面天線相比于喇叭形天線，波束寬要小的多。
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