油庫雷達液位計設計選型

摘 要：目前隨著油庫自動計量系統的不斷改進，出現了各種形式的儲罐液位計及庫存管理系統。高精度液位計中應用范圍zui廣的就是雷達液位計。雷達液位計有多種形式和不同的安裝方式。應用人員在設計選型容易混淆，文章從工作原理、介質特性、天線形式和安裝注意事項幾方面進行研究分析，結合在大型油庫的實際應用經驗，給出了選型建議。

目前國內外用于貿易交接計量的儲罐液位自動計量系統通常是混合式油罐測量系統（H T M S,hy brid t a n kmeasurement system）。HTMS中zui常用的就是雷達液位計。雷達液位計沒有活動部件，沒有機械磨損，實際使用中發現工作時間一般都能達到10年，不污染環境，安裝方便。當儲罐內介質比較粘稠、腐蝕性強時，非常適用。雷達液位計的精度高，工作溫度范圍寬，zui大工作壓力可達4MPa，測量范圍為0~40m。通過采用不同的天線形式及導波管的應用能夠滿足測量大部分儲罐液位的要求。

1 工作原理及分類
       滿足貿易交接計量精度（±1mm）的雷達都是非接觸式雷達液位計。從測量原理上基本分為2大類：
（1）基于時間差法（time of flight）：天線發射以光速傳播的電磁波，當滯后一段時間電磁波碰到液面后，會反射回來。距離與滯后時間成正比，儀表通過測出從發射到接受之間的滯后時間，來確定設定面與反射面之間的距離（空高）。
（2）復合調頻式原理（FMCW）。線性調頻的等幅微波信號通過天線發射出去，遇到障礙物時被反射回來，延遲一段時間后，儀表接受被反射回來的微波信號，并與部分發射波混頻。混頻輸出信號的頻率與被測距離成正比。當固態源的調制頻率和頻偏一定時，只要測出差頻頻率，通過信號處理技術就可以計算得到距離（空高）。

2 液位測量影響因素
2.1 罐內溫度對儀表測量精度的影響
        雷達天線發射的電磁波在真空中也可以傳播。在空氣中傳播時，溫度變化基本不影響其傳播速率。當被測介質溫度發生變化時，其帶來的反射時間變化很小。

2.2 罐內壓力對儀表測量精度的影響
        微波傳播幾乎不受空氣密度變化的影響，因此雷達液位計能在真空或受壓狀態下正常工作，真空狀態下微波傳播速率相對空氣狀態下僅變化0.029％[ 1 - 3 ]；但當操作壓力高到某一范圍時，壓力對測量帶來的誤差就不容忽視。
2.3 介質特性對測量的影響
        液體介質的相對介電常數、液體表面的穩定程度和氣泡等因素都會影響雷達波信號的反射，可能導致液位計無法正常工作。
        雷達液位計測量罐內液面時，zui好是穩定的，規則的液面。但是當液體有流進流出時，會有波浪使液面波動，在生產過程中還可能出現沸騰或起泡沫的現象，使液面變得模糊。
        電磁波在介質中傳播時，介質的介電常數越小，衰減率越大，衰減率大了反射率就小。所以介電常數小--反射率弱--信號強度低。當被測介質的相對介電常數小到一定值時，雷達波的有效反射信號衰減過大，儀表接受到的反射波能量過小，再加上干擾波會導致液位計無法正常工作。不同公司的雷達液位計對zui小相對介電常數的要求是不同的，這是因為介電常數的大小與溫度和電磁場有關。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部的信號處理技術，儀表對相對介電常數zui低值的硬性要求也越來越小。
        目前主要廠商（如：Honeywell，Saab）的產品可以測量相對介電常數只有1.2的介質。
        對于沸騰或擾動大的液面或被測介質介電常數小，或為消除儲罐、容器結構形狀可能導致的干擾影響，應采用導波管及其它措施，增強回波信號，以確保測量精度。

3 天線形式及設計選型
        天線的結構形式及材質，應根據被測介質的特性，儲罐類型、開口、罐內溫度、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，導波管陣列（平面）天線和棒狀天線等。
        對于常規的拱頂罐，雷達液位計應是喇叭形（錐形）天線設計，可無需使用導向管，且可以靠近罐壁安裝，并保證測量的準確度。
        對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非常適合，通常不用設導波管。
        對于浮頂罐，雷達液位計應采用平面天線設計，以便于安裝在油罐的導波管上。
        對于高壓球罐，天線形式為加長喇叭口天線配導波管，還要配套提供一體化球閥，便于雷達液位計在帶壓狀態下的維護。為了在儲罐帶壓運行條件下進行測量校驗，需要安裝參考設備：在導波管孔內的參考針以及位于下方管道末端的帶參考環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
      雷達液位要杜絕安裝儲罐頂部的中心處，這是因為天線發射的電磁波是在罐內整個空間傳播的，罐壁和罐底反回來的電磁波會集中在中心處，形成很大的干擾，會淹沒正常的從介質表面反射回來的電磁波。
       采用喇叭天線雷達液位計，天線伸出接管至少10mm，如果在容器上的接管長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計合適的接管長度。

       沒有配置導波管的雷達液位計根據天線形式的不同，所要求的儀表安裝連接短管距罐內壁的距離也不同。通常，液位計連接短管中心距管內壁的距離不宜小于波束寬的1/2。波束寬=2×測量距離×tan（波束角/2），波束角為雷達波能力密度達到zui大值的一半時的角度。當天線發射的微波頻率固定時，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。