导波雷达液位计在液位测量中的应用

吕琴梅

（柏克德（中国）工程有限公司，上海 200050）

导波雷达液位计在液位测量中的应用

吕琴梅

（柏克德（中国）工程有限公司，上海 200050）

导波雷达液位计在液位测量中发挥着越来越重要的作用。介绍导波雷达液位计的测量原理及组成，探讨了常见的探头类型、仪表安装方式和注意事项，分析了GWR在工业设备液位和界面测量中的应用。

导波雷达液位计；液位；界面；测量

物料液位是工业生产中的一个重要参数，测量液位的方法有很多［1］，针对不同的工况和介质可以使用不同测量原理的液位计［2］。吹气法、差压式、浮球式、电容法、超声波等常用的液位测量仪表都有各自的特点和应用范围。导波雷达液位计（Guided Wave Radar，GWR）由于具有先进的雷达测量技术，测量时不受介质、温度、惰性气体、蒸汽、粉尘及泡沫等影响，测量长度可灵活变更，测量结果精度较高，故在液位测量中发挥着越来越重要的作用。

1 导波雷达液位计的测量原理

GWR是依据时域反射原理为基础的雷达液位计。雷达液位计的电磁脉冲波以光速沿着波导体（探头）向下传送，当遇到被测介质表面时，部分脉冲被反射形成回波并沿相反路径返回到脉冲发射装置，用超高速计时电路（电子表头）精确地测量出脉冲波的传导时间，而发射装置与被测介质表面的距离同传导时间成正比，经计算就可得到液位高度［3－4］。

脉冲发射装置发射的电磁波信号到达介质表面并返回时，信号会衰减。此时，信号强度与介质的介电常数成正比［5］，介电常数越大，反射信号越强；反之，反射信号越弱。目前，Magnetrol公司的GWR可用于测量最低介电常数为1.4的介质液位。另外，高导电性介质（如水）产生较强的反射脉冲；而低导电性介质（如烃类）产生较弱的反射脉冲，低导电性介质使得某些电磁波能沿探头（波导体）穿过液面向下传播，直至完全消散或被一种较高导电性的介质反射回来。根据这一特点，可采用GWR测量两种液体的界面（如油／水界面），条件是界面下的液体介电常数应远大于界面上液体的介电常数。

2 导波雷达液位计的组成

GWR主要包括液位计电子表头、过程连接和探头3个部分，如图1所示。其中，过程连接包括法兰连接及螺纹连接2种，图1所示为法兰连接。GWR适用于测量绝大部分过程容器和储罐、连接容器和旁路容器的液位，测量的温度和压力限制在探头的额定温度和压力范围内。Magnetrol公司的GWR适用的介质温度可达400℃，其压力可高达34.45Pa（5 000psig）。另外，如果工艺过程温度过高，还可将GWR装在容器的旁路管中，这样能起到一定的降温作用。

图1 导波雷达液位计组成与基本部件Fig.1 Basic composition of GWR

3 GWR探头与旁路管

3.1 探 头

在实际应用中，GWR探头的选择十分重要。探头主要有同轴式、双杆式（硬缆或软缆）和单杆式（硬缆或软缆）3种［6－7］，如图2所示。

图2 探头类型Fig.2 Probe types

同轴式探头是所有探头配置中最有效的，且在所有应用场合中应首先考虑使用，但是该种探头的长度应控制在5m内，否则不便于运输和安装（一般情况下，若测量范围超过3m，则建议使用软缆式的探头）。若流体有较大的波动，建议使用同轴式探头和硬杆式探头，因为它们具有一定的抗震性；若波动或测量范围太大则必须用软缆式探头，以便在探头外另加保护套管。值得注意的是，为保证信号传输过程中不受障碍物的干扰，除同轴式探头外，其他类型的探头都有一定的空间要求。

由于探头有一定死区，死区的大小与测量介质的介电常数成反比。如果测量介质的介电常数越大，测量时的死区越小；反之，死区越大。对于不同厂家的产品，死区的大小都有差别，Magnetrol公司探头的死区范围为25～150mm。在确定探头长度时需要将死区的大小考虑在内，应确保探头能插入到最低液面下的一定距离。Magnetrol公司的GWR在测量最低液位时，要求选择的探头长度应确保探头能插入到液面下25～150mm。

3.2 GWR旁路管

在测量液位时，GWR可以直接插入设备中，或装在旁路管里。旁路管由管道部门或GWR供货商提供。旁路管与探头的连接方式应根据所用探头的连接方式而定，可以是法兰连接，也可以是螺纹连接。如图3所示为GWR旁路管。

旁路管应遵照项目的管道设计规范进行设计。对于腐蚀性较高的介质还应考虑一定的腐蚀余量，如应符合美国腐蚀工程师协会（NACE）的标准等。旁路管与设备连接时，其法兰连接管口应完全垂直于旁路管，其中心线与设备管口的中心线应在同一水平面上，必要时可使用夹具装置（Jig Set）校正。

图3 GWR旁路管Fig.3 GWR chamber

应根据探头的长度来确定旁路管的长度，如果旁路管过长，还应在测量范围的中心位置使用机械支撑，对旁路管起到支撑作用。旁路管的制作应根据项目的要求确定，图4所示为某项目所用的机械支撑。

图4 旁路管的机械支撑Fig.4 Mechanical support of GWR chamber

4 GWR在液位测量中的应用

4.1 GWR的合理安装

合理选择安装位置对GWR十分重要，将影响到测量的效果，故在安装时应注意：

（1）探头的轴线应与液位的反射表面垂直。

（2）必须保证在信号波的范围内不能有干扰物反射干扰波，探头应与可能产生干扰的加料入口位置、罐壁或旁路管等保持一定的距离，以免产生虚假反射。

（3）应避免安装在有很强涡流的地方。如由于搅拌或很强的化学反应等产生的涡流，此时可采用旁路管测量，以减少因液位波动造成的影响。

4.2 案例分析

案例1 GWR直接插入设备中，内有有毒气体或挥发性气体。设备的设计压力为3.52kg／cm2，设计温度是260℃。设备管口直径为5.08cm（2英寸），长200mm，工艺测量范围为400～1 850mm，选择法兰连接方式。为防止气体泄漏，在设备管口与GWR之间加装有一个手动的全通球阀（隔离阀），如图5所示。正常工作时，球阀全开，当探头需要被拔除时，可关闭此阀，起到隔离设备内毒气的作用。考虑到设备中有一个泵往外抽取介质，设备会有一定的震动，且硬杆式探头对管口大小有一定的要求，故选用了同轴式探头。

图5 案例1示意图Fig.5 Case 1

选择探头长度时，包括了测量范围1 450mm，探头死区150mm，设备管口的长度200mm和隔离阀的端面尺寸178mm，故探头的长度＝1 450＋150＋200＋178＝1 978（mm）。

案例2 GWR安装在旁路管中，用于测量设备中液位和界面。被测设备的上方为碳氢化合物，介电常数为2，测量范围400～1 450mm；下方为碳氢化合物与酸水的混合物，酸水的介电常数为34.5，界面的测量范围300～600mm。旁路管的尺寸选择5.08cm（2英寸），探头类型同样选择同轴式的。如图6所示。

图6 案例2示意图Fig.6 Case 2

5 结 语

导波雷达液位计测量不受设备形状的影响，也不受介电常数、温度、压力与密度等条件变化的影响，测量长度无须标定，测量结果具有高精度、可重复性、高分辩率，有多种探头类型和材质可供选择，数字化显示可供选择，且维护量少，可很好地用于石油化工设备中烃类及其他介质液位的测量。随着其价格的进一步降低、性价比的提高，GWR的应用将会越来越广泛。

［1］ 崔小劲，刘会兵，刘 玲.电厂用物位计的种类及其运用［J］.自动化与仪器仪表，2010（6）：76－78.

［2］ 任喜伟，杨 帆，宋安玲.基于ZGL双液位测量仪的原油罐油水界面监测系统［J］.化工自动化及仪表，2010，37（12）：126－128.

［3］ 刘伟佳.导波雷达液位计信号处理模块设计［D］.成都：电子科技大学，2010.

［4］ 姬晓波，涂亚庆，任开春，等.雷达液位仪测量原理的分析及应用探讨［J］.石油化工自动化，2005（1）：68－70.

［5］ 郑金吾，王子平，朱利民.导波雷达——液位测量技术的新发展［J］石油化工自动化，2001（1）：52－56.

［6］ 苏 菲.新型雷达液位计的比较与设计考虑［J］.医药工程设计，2008，29（2）：44－46.

［7］ 邵 文.导波雷达液位计在方家山核电站的应用［J］.仪器仪表用户，2011，18（3）：96－98.

Guided Wave Radar and Its Application to Level Measurement

LÜQinmei
（Bechtel（China）Engineering ＆Construction Co.，Ltd.，Shanghai 200050，China）

Guided wave radar（GWR）is increasingly important in level measurement.This paper introduces the measuring principle and basic composition of GWR，and presents several common types of probes，instrumentation installation and precautions.Two cases and applications in industrial equipment level and interface measurement of GWR are studied.

guided wave radar；level；interface；measurement

TH 816.2

A

2095－0020（2011）05－0347－04

2011－10－07

吕雪梅（1982－），女，工程师，专业方向为仪表工程，E－mail：mable.lv＠163.com