計量級雷達液位計在大型儲罐中的應用

劉木林

（浙江省天正設計工程有限公司）

大型儲罐是石油化工行業的重要組成部分，是企業存儲、生產和運輸過程的重要環節，具有儲量大、占地面積廣及分布集中等特點。 大型儲罐是重大工業危險源，儲存的產品具有爆炸性和燃燒性，如果發生泄漏、火災及爆炸等安全事故，將會造成重大人員傷害和財產損失。 液位是大型儲罐實時變化的重要參數，準確測量液位是大型儲罐生產和安全使用的最重要環節。

計量級雷達液位計在大型儲罐中的應用優勢主要體現在安全節能、適用范圍廣及準確度高等方面。 大型儲罐體積龐大，通常安置在室外，因此對液位測量儀表的安裝和性能有較高要求。 計量級雷達液位計是一種采用微波測量技術的非接觸式液位測量儀表，在大型儲罐的貿易計量中使用廣泛。

1 計量級雷達液位計原理與結構

計量級雷達液位計是大型儲罐中液位測量的核心傳感器，采用發射-反射-接收的工作模式。

1.1 原理

計量級雷達液位計采用通過發射FMCW（調頻連續波）信號并接收相應的回波，處理后獲得距離與速度信息的原理。 發射信號通過天線向外輻射， 同時作為混頻器的基準信號解調回波信號，測量信號頻率差，依據差值與到液體表面的距離成比例從而計算出液位值。 雷達波形與測距原理如圖1 所示。

圖1 雷達波形及測距原理

計量級雷達液位計由收發模塊、 電源模塊、天線、信號處理模塊及顯示模塊等單元組成。 收發模塊產生FMCW 信號，經環行器至天線向外輻射，回波信號由天線接收，經環行器送到接收通道，對回波信號進行諧波混頻、放大、濾波，產生差頻信號，將包含距離信息的信號經過A／D 轉換成數字信號，送往信號處理模塊，信號經傅里葉變換、檢測處理等后，得到高精度的液位數據，通過現場總線送到顯示單元和上位機［1］。 計量級雷達液位計數據處理流程如圖2 所示。

圖2 計量級雷達液位計數據處理流程

1.2 結構

雷達液位計的結構和工藝工況有很大關系，選型時需綜合考慮介質的腐蝕性、粘稠性、結晶特性、冷凝特性及揮發特性等。 雷達液位計主要由電子控制單元和天線構成，無可動部分，不存在機械磨損。 用于貿易計量時，需采用高精度、高穩定性的計量級雷達液位計。 計量級雷達液位計的結構關鍵是天線，其天線一般有以下4 種［2］：

a. 喇叭天線，適用于大部分罐區，安裝在罐頂或導波管上，聚焦特性好，測量范圍大；

b. 導波管陣列天線，安裝在導波管內，適用于外浮頂的原油儲罐或內浮頂的成品油/化工品儲罐；

c. 拋物面天線，適用于固定頂儲罐，粘稠和嚴重凝結的產品，可用于瀝青、液態硫磺等惡劣的工況；

d. LPG/LNG 天線，適用于LPG/LNG 儲罐，測量加壓或低溫液化氣的液位。

2 計量級雷達液位計的應用

2.1 配套儀表

液位測量系統一般包括計量級雷達液位計、多點溫度計、數據采集單元及現場通信單元等設備。

多點溫度計可測量儲罐內多點溫度，利用現場總線通信協議輸送測量數據。

數據采集單元可收集量值，如液位、溫度和壓力，計算平均溫度、計量密度和容積表，不僅可識別網絡中不同的現場設備并自動分配地址，還能管理通信，監控所有設備狀態。

現場通信單元是一臺數據集中器，可通過數據采集單元連續查詢現場設備的數據。

2.2 系統構成

液位測量系統通過現場總線儀表（如雷達液位計、多點溫度計）提供儲罐的溫度、液位信息，并與DCS 控制系統通信。

每個儲罐設置的測量系統由液位檢測單元、數據采集單元和多點溫度計組成。 信號分組通過接線箱以總線方式連接至機柜間的通信接口單元，最終接入計量管理計算機，通過計算將測量的液位自動轉換為體積值或質量值，計量管理計算機與DCS 控制系統通信［3］。

每個儲罐的數據采集單元采用總線形式，與采用傳統的模擬量儀表相比具有以下優勢：

a. 避免了模擬量信號經過系統卡件的A/D、D/A 轉換后精度損失， 現場顯示的數據和系統里的顯示數據是一致的；

b. 節約線纜，每個數據采樣單元只輸出一路總線信號。

液位測量系統軟件可以分析液位的曲線圖，查看設備和生產的實時/歷史運行情況。計量級雷達液位計自控系統如圖3 所示［4］。

3 計量級雷達液位計的安裝

計量級雷達液位計的正確安裝是保證高精度測量的關鍵，安裝時需要注意以下因素：

a. 遠離罐中心和物料進口，安裝在罐中心容易造成接收不到回波，安裝在物料進口容易造成接收較多的虛假反射回波，計量級雷達液位計安裝位置應距離管壁約儲罐直徑的1/5；

b. 測量角范圍內不能有障礙物，計量級雷達液位計的測量原理決定了測量角范圍內不能有障礙物；

c. 避免強液位波動的場合， 當儲罐內介質有較強的攪拌或化學反應時，應采用旁通管或導波管的測量方式，保證雷達波能夠精確地測量出真實的液位。

圖3 計量級雷達液位計自控系統

4 結束語

計量級雷達液位計具有精度高、適用范圍廣及安裝維護方便等特點，尤其適用于大型儲罐的連續液位高精度測量。 隨著科學技術的不斷發展，計量級雷達液位計將會在大型儲罐的貿易計量方面得到廣泛的應用。