雷達(dá)液位計在油品罐區(qū)計量中的設(shè)計應(yīng)用

上海上儀股份公司通過對雷達(dá)液位計在油品罐區(qū)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，分析了雷達(dá)液位計的工作原理、天線型式和性能特點，指出了介電常數(shù)對于雷達(dá)液位計測量的影響，介紹了雷達(dá)液位計的設(shè)計要點和選型原則，并對其現(xiàn)場總線傳輸方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，非常后結(jié)合工程設(shè)計實例總結(jié)了雷達(dá)液位計規(guī)范合理的選型方案，肯定了其在罐區(qū)計量中的重要作用。油品罐區(qū)是石油化工企業(yè)中重要的儲運設(shè)施，準(zhǔn)確地計量油品罐區(qū)的庫存對于石化企業(yè)的生產(chǎn)、銷售有著非常重要的指導(dǎo)作用，作為油品罐區(qū)計量中的關(guān)鍵儀表，罐區(qū)液位計的精確度、安全性及穩(wěn)定性直接影響著石化企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。早在20世紀(jì)80年代中期，源自軍事工業(yè)的雷達(dá)測量技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)自動化測量領(lǐng)域，使得現(xiàn)代罐區(qū)計量技術(shù)有了一個根本性的飛躍，解決了油品罐區(qū)測量系統(tǒng)在部分工況長期以來無法精確計量的難題，雷達(dá)物位計以其優(yōu)越的性能成為罐區(qū)液位測量儀表的首要選擇。結(jié)合工程設(shè)計項目實例，從原理、特點、選型等多個方面對雷達(dá)液位計在油品罐區(qū)計量方面的應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致的研究與總結(jié)，為今后更加合理地使用雷達(dá)液位計進(jìn)行液位測量提供參考。

1 雷達(dá)液位計的工作原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計采用高頻振蕩器作為雷達(dá)波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的雷達(dá)波通過導(dǎo)波管引到雷達(dá)天線，然后向外傳播。當(dāng)雷達(dá)波到達(dá)檢測液面時，有一部分被吸收，另一部分被反射回雷達(dá)天線接收，通過建立發(fā)射波與反射波的函數(shù)關(guān)系來實現(xiàn)液位測量 [1] ?；趦煞N不同的測量原理，雷達(dá)液位計主要分為時域脈沖雷達(dá)液位計和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)液位計兩類。

時域脈沖雷達(dá)液位計基于雷達(dá)波的時域反射性（TDR）原理，通過測量單脈沖電磁波的傳輸時間進(jìn)行液位測量 [2] ，其精度主要依賴于對時間的精確測量。由于雷達(dá)波信號以光速傳播，而測量儲罐液位時雷達(dá)波在儲罐內(nèi)的傳播距離較短，所以較難保證準(zhǔn)確地測量。

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，微波發(fā)射和接收器安裝在罐頂，向液體表面發(fā)射頻率經(jīng)過線性調(diào)制了的微波信號。當(dāng)微波信號向下傳播到液體表面后被反射回接收器時，由于時間延遲，發(fā)射信號的頻率已發(fā)生了改變，通過得到反射波與發(fā)射波的頻率差，推算出雷達(dá)波通過的距離 [3] 。同樣是利用雷達(dá)波的傳播特性進(jìn)行液位測量，時域脈沖雷達(dá)液位計基于時間測量，而時間是一種連續(xù)的模擬量，在物理學(xué)

上定義它只能被無限近似切割，所以時域脈沖法是一種模擬技術(shù)，它只能提供較低的測量精度，其優(yōu)勢在于制造成本相對較低；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計基于頻率測量，而頻率是一種完全的數(shù)字量，能夠被準(zhǔn)確切割和度量，所以調(diào)頻連續(xù)波法是一種數(shù)字化技術(shù)，能提供良好的測量精度和穩(wěn)定的輸出信號。

2 雷達(dá)液位計的選型

2.1 雷達(dá)液位計天線型式

天線是雷達(dá)液位計測量液位的重要部件，雷達(dá)液位計選型主要在于選擇合適的天線型式。常用的非接觸式雷達(dá)液位計天線型式主要有以下3種：喇叭口天線、拋物面天線和平面天線。

喇叭口天線采用點源發(fā)射方式，雷達(dá)波為發(fā)散的球面波，主要用于不需要設(shè)置導(dǎo)波管的拱頂罐的液位測量。由于整個喇叭口天線處于儲罐中，并且有幾乎與罐環(huán)境相同的溫度，所以可以防止在天線內(nèi)發(fā)生冷凝。拋物面天線同樣采用點源發(fā)射方式，雷達(dá)波為發(fā)散的球面波，允許近罐壁安裝。通常用于拱頂罐，介質(zhì)主要為蠟油、渣油、瀝青等粘稠及易冷凝的高溫油品，儲罐底部都設(shè)有加熱蒸汽盤管。由于罐內(nèi)高溫（200℃左右）產(chǎn)生蒸汽使得在雷達(dá)天線部位極易形成凝結(jié)水和出現(xiàn)掛料現(xiàn)象，影響雷達(dá)液位計的準(zhǔn)確測量，而拋物面天線雷達(dá)液位計的滴水型設(shè)計有效地防止了冷凝和掛料現(xiàn)象的出現(xiàn)。而且，拋物面天線波束窄，使雷達(dá)波能量更集中，聚焦性好，能夠保證較高的測量精度 [4] 。平面天線技術(shù)（又叫陣列天線技術(shù)）采用多源發(fā)射方式，與單點發(fā)射源相比，由于其測量基于一個平面，而不是一個確定的點，因而發(fā)射出的雷達(dá)波為平面螺旋波。主要用于安裝有導(dǎo)波管的內(nèi)（外）浮頂罐的液位測量。平面天線發(fā)射的雷達(dá)波具有波束窄、能量集中的特點，所以與導(dǎo)波管管壁接觸部分能量很小，受導(dǎo)波管內(nèi)壁粗糙程度的影響也很小，對于油品掛壁對測量的影響小。

2.2 介電常數(shù)對雷達(dá)物位計選型的影響

雷達(dá)波到達(dá)液位表面被反射時，雷達(dá)波會被吸收而發(fā)生衰減，當(dāng)衰減過多時，雷達(dá)液位計接收不到足夠的信號，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確，這就是被測介質(zhì)的介電常數(shù)對雷達(dá)液位計的測量所產(chǎn)生的影響 [5] 。各種油品介質(zhì)的介電常數(shù)如表1所示。為了克服介電常數(shù)的影響，提高反射波能量，對于使用內(nèi)（外）浮頂罐的介質(zhì)，對于汽油、煤油等相對介電常數(shù)較小的介質(zhì)必須使用導(dǎo)波管。而對于液化氣球罐的液位測量，一方面液化氣的介電常數(shù)較低，對雷達(dá)波的反射能力很弱；另一方面液化氣氣相組分會吸收部分雷達(dá)波造成信號衰減嚴(yán)重，影響雷達(dá)液位計的準(zhǔn)確測量。因此，通常選用另一種測量精度較高的接觸式儀表——伺服液位計，此處不作詳述。

3 雷達(dá)物位計的現(xiàn)場總線傳輸方式

3.1 現(xiàn)場總線傳輸方式

雷達(dá)液位計提供疊加了HART的4mA～20mA輸出信號，同時也提供數(shù)字式現(xiàn)場總線傳輸方式。在油品罐區(qū)計量系統(tǒng)中，罐區(qū)計量信號通過雷達(dá)液位計的現(xiàn)場總線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。現(xiàn)場總線能夠同時傳輸多個過程參數(shù)，大大地簡化了連接線路，降低了成本。而且在傳輸過程的同時，儀表的標(biāo)識符和簡單的診斷信息也可一并傳送。現(xiàn)場總線是雙向的，因此能夠在控制室對現(xiàn)場智能儀表進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)整及運行診斷，甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測。

3.2 單個油品儲罐計量系統(tǒng)的構(gòu)成

基于雷達(dá)液位計的數(shù)字信號處理功能及數(shù)字式現(xiàn)場總線傳輸?shù)奶攸c，雷達(dá)液位計在油品罐區(qū)計量中主要發(fā)揮了兩個作用：一是測量儲罐內(nèi)介質(zhì)的液位，二是接收被測介質(zhì)的溫度、密度、壓力等遠(yuǎn)傳信號，利用現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，將所有信號一起傳輸?shù)娇刂剖?，實現(xiàn)對油品儲罐的計量。單個油品儲罐計量系統(tǒng)構(gòu)成。

3.3 油品罐區(qū)雷達(dá)料位計的通訊系統(tǒng)

某品牌雷達(dá)料位計的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場通訊單元（FCU）作為一個網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)收集器，在上位機(jī)和現(xiàn)場儀表之間起連接作用，罐區(qū)中各儲罐的雷達(dá)料位計依靠TRL/2現(xiàn)場總線與FCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)CU和上位機(jī)之間通過RS-485總線進(jìn)行通訊，完成將罐區(qū)儀表信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的任務(wù) 。

4 工程應(yīng)用實例

4.1 液位儀表選型

某項目共有4個油品罐區(qū)，分別為原油罐區(qū)、汽油罐區(qū)、油漿及堿渣罐區(qū)以及液態(tài)烴罐區(qū)。根據(jù)各罐區(qū)介質(zhì)的特性及儲罐類型，配備合適的液位測量儀表，如表2所示。其中，T——溫度；L——液位；ρ——密度；P——壓力。根據(jù)雷達(dá)液位計的選型原則，對于易產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，使用浮頂罐儲存的汽油和原油（汽油為內(nèi)浮頂罐、原油為外浮頂罐），選用平面天線雷達(dá)液位計，安裝導(dǎo)波管?？梢杂行У乜朔橘|(zhì)由于介電常數(shù)小而對雷達(dá)波反射能力相對弱的缺點，確保測量準(zhǔn)確。

油漿、堿渣等介質(zhì)由于比較粘稠且易冷凝，通常儲存在帶有加熱蒸汽盤管的拱頂罐中。因此，選用不受加熱蒸汽影響又聚焦性好的拋物面天線雷達(dá)液位計。

液態(tài)烴罐區(qū)選用伺服液位計。

4.2 雷達(dá)液位計通訊系統(tǒng)

利用雷達(dá)液位計基于現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，為油品罐區(qū)構(gòu)建起一個液位測量系統(tǒng)。雷達(dá)液位計通訊系統(tǒng)構(gòu)成。采用雷達(dá)液位計進(jìn)行液位測量的3個罐區(qū)通過3條現(xiàn)場總線與安裝在控制室內(nèi)的雷達(dá)通訊單元通訊，再由雷達(dá)通訊單元通過RS-485總線與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，傳輸各儲罐液位的同時，還將溫度、壓力、密度等檢測信號通過雷達(dá)液位計準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行集中監(jiān)測，實現(xiàn)了整個油品罐區(qū)的計量。

雷達(dá)液位計現(xiàn)場總線傳輸方式在工程實施中主要具有以下優(yōu)點：

1）采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，解決了分布式油品儲罐的集中檢測問題，便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理，使系統(tǒng)更加實用、穩(wěn)定和可靠。

2）數(shù)字傳輸方式，可以同時傳輸多個過程變量，極大地簡化了信號連接線路，節(jié)省了大量的電纜、保護(hù)套管、槽盒、橋架以及穿線盒等相應(yīng)輔材，極大地降低了成本。

3）接線簡單，如果需要增加現(xiàn)場儀表，只需就近并行掛接到原有的網(wǎng)絡(luò)上，無需鋪設(shè)至機(jī)柜室，既節(jié)省了電纜，降低了投資，也縮減了設(shè)計和安裝的工作量。

4）工程實施更加方便，工程周期短，大大減少了工作量，降低了維護(hù)和安裝費用。

5 結(jié)束語

上海上儀股份公司作為一種智能化的液位測量儀表，雷達(dá)料位計在罐區(qū)油品計量的應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)揮出了自身獨特的優(yōu)勢，非接觸式測量、測量范圍大、精度高、安裝簡單等優(yōu)點完全滿足罐區(qū)油品計量對精確度、可靠性和穩(wěn)定性的要求，數(shù)字式現(xiàn)場總線傳輸方式不但能節(jié)省成本，而且符合現(xiàn)代測量技術(shù)向著集成化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的要求，雷達(dá)液位計將繼續(xù)在罐區(qū)油品計量中發(fā)揮重要作用。