计量级雷达液位计在大型储罐中的应用

刘木林

（浙江省天正设计工程有限公司）

大型储罐是石油化工行业的重要组成部分，是企业存储、生产和运输过程的重要环节，具有储量大、占地面积广及分布集中等特点。 大型储罐是重大工业危险源，储存的产品具有爆炸性和燃烧性，如果发生泄漏、火灾及爆炸等安全事故，将会造成重大人员伤害和财产损失。 液位是大型储罐实时变化的重要参数，准确测量液位是大型储罐生产和安全使用的最重要环节。

计量级雷达液位计在大型储罐中的应用优势主要体现在安全节能、适用范围广及准确度高等方面。 大型储罐体积庞大，通常安置在室外，因此对液位测量仪表的安装和性能有较高要求。 计量级雷达液位计是一种采用微波测量技术的非接触式液位测量仪表，在大型储罐的贸易计量中使用广泛。

1 计量级雷达液位计原理与结构

计量级雷达液位计是大型储罐中液位测量的核心传感器，采用发射-反射-接收的工作模式。

1.1 原理

计量级雷达液位计采用通过发射FMCW（调频连续波）信号并接收相应的回波，处理后获得距离与速度信息的原理。 发射信号通过天线向外辐射， 同时作为混频器的基准信号解调回波信号，测量信号频率差，依据差值与到液体表面的距离成比例从而计算出液位值。 雷达波形与测距原理如图1 所示。

图1 雷达波形及测距原理

计量级雷达液位计由收发模块、 电源模块、天线、信号处理模块及显示模块等单元组成。 收发模块产生FMCW 信号，经环行器至天线向外辐射，回波信号由天线接收，经环行器送到接收通道，对回波信号进行谐波混频、放大、滤波，产生差频信号，将包含距离信息的信号经过A／D 转换成数字信号，送往信号处理模块，信号经傅里叶变换、检测处理等后，得到高精度的液位数据，通过现场总线送到显示单元和上位机［1］。 计量级雷达液位计数据处理流程如图2 所示。

图2 计量级雷达液位计数据处理流程

1.2 结构

雷达液位计的结构和工艺工况有很大关系，选型时需综合考虑介质的腐蚀性、粘稠性、结晶特性、冷凝特性及挥发特性等。 雷达液位计主要由电子控制单元和天线构成，无可动部分，不存在机械磨损。 用于贸易计量时，需采用高精度、高稳定性的计量级雷达液位计。 计量级雷达液位计的结构关键是天线，其天线一般有以下4 种［2］：

a. 喇叭天线，适用于大部分罐区，安装在罐顶或导波管上，聚焦特性好，测量范围大；

b. 导波管阵列天线，安装在导波管内，适用于外浮顶的原油储罐或内浮顶的成品油/化工品储罐；

c. 抛物面天线，适用于固定顶储罐，粘稠和严重凝结的产品，可用于沥青、液态硫磺等恶劣的工况；

d. LPG/LNG 天线，适用于LPG/LNG 储罐，测量加压或低温液化气的液位。

2 计量级雷达液位计的应用

2.1 配套仪表

液位测量系统一般包括计量级雷达液位计、多点温度计、数据采集单元及现场通信单元等设备。

多点温度计可测量储罐内多点温度，利用现场总线通信协议输送测量数据。

数据采集单元可收集量值，如液位、温度和压力，计算平均温度、计量密度和容积表，不仅可识别网络中不同的现场设备并自动分配地址，还能管理通信，监控所有设备状态。

现场通信单元是一台数据集中器，可通过数据采集单元连续查询现场设备的数据。

2.2 系统构成

液位测量系统通过现场总线仪表（如雷达液位计、多点温度计）提供储罐的温度、液位信息，并与DCS 控制系统通信。

每个储罐设置的测量系统由液位检测单元、数据采集单元和多点温度计组成。 信号分组通过接线箱以总线方式连接至机柜间的通信接口单元，最终接入计量管理计算机，通过计算将测量的液位自动转换为体积值或质量值，计量管理计算机与DCS 控制系统通信［3］。

每个储罐的数据采集单元采用总线形式，与采用传统的模拟量仪表相比具有以下优势：

a. 避免了模拟量信号经过系统卡件的A/D、D/A 转换后精度损失， 现场显示的数据和系统里的显示数据是一致的；

b. 节约线缆，每个数据采样单元只输出一路总线信号。

液位测量系统软件可以分析液位的曲线图，查看设备和生产的实时/历史运行情况。计量级雷达液位计自控系统如图3 所示［4］。

3 计量级雷达液位计的安装

计量级雷达液位计的正确安装是保证高精度测量的关键，安装时需要注意以下因素：

a. 远离罐中心和物料进口，安装在罐中心容易造成接收不到回波，安装在物料进口容易造成接收较多的虚假反射回波，计量级雷达液位计安装位置应距离管壁约储罐直径的1/5；

b. 测量角范围内不能有障碍物，计量级雷达液位计的测量原理决定了测量角范围内不能有障碍物；

c. 避免强液位波动的场合， 当储罐内介质有较强的搅拌或化学反应时，应采用旁通管或导波管的测量方式，保证雷达波能够精确地测量出真实的液位。

图3 计量级雷达液位计自控系统

4 结束语

计量级雷达液位计具有精度高、适用范围广及安装维护方便等特点，尤其适用于大型储罐的连续液位高精度测量。 随着科学技术的不断发展，计量级雷达液位计将会在大型储罐的贸易计量方面得到广泛的应用。