雷達液位計EOP測量技術的應用

文/包振凱

本文作者供職于青島石化檢修安裝工程有限責任公司。

某公司烯烴項目加氫液化氣球形儲罐的4臺雷達液位計故障原因分析及解決辦法——闡述雷達液位計EOP測量方法的應用領域，通過深入剖析故障原因提出解決方案并說明實施方法。引入EOP桿底回波的測量技術，巧妙地解決低介電常數時雷達液位計的測量問題。

某公司烯烴項目全廠罐區擁有各類型儲罐60余座，其主要介質包括：石腦油、丙烯、乙烯、油洗液化氣、加氫液化氣、液氨、丁二烯、丁烯-1以及燃料油等。其中加氫液化氣設立4座球形儲罐，每臺儲罐罐頂同時安裝1臺導波雷達液位計及1臺伺服式液位計用于工藝人員實時監測液位變化及事故狀態下聯鎖觸發的條件。

自開車運行以來，全廠罐區4座加氫液化氣罐頂導波雷達液位計均出現無規律的測量不準現象，在與伺服液位計的趨勢比較過程中發現：雖然雷達液位計故障發生的時間不同，但四者的歷史趨勢均顯示在某一時刻某一液位（尤其是低液位）時，儀表輸出突然保持不變，隨實際液位的變化雷達液位計的輸出偏離正常值愈來愈大，又在一段時間以后，儀表指示突變至正常值。

通過梳理確認4臺雷達液位計的工藝環境、安裝方式、設備規格以及儀表型號完全相同，故筆者將此種現象合并為同一個問題進行研究并提出可靠的解決方案，最終得以實施。

故障原因分析

工藝環境分析

加氫液化氣儲罐為標準的球型儲存罐設備，無任何工藝反應產生，罐內無攪拌器，罐體附近無壓縮機、泵組等大中型用電設備，4座儲罐的大小、規格及標高均一致，4臺雷達液位計均選用某公司生產的同一型號導波纜繩式雷達液位計。

工作原理

此型號雷達液位計出廠時采用物位回波的測量方式，以時域反射原理（TDR）為基礎，雷達液位計的電磁脈沖在空氣中以光速（V0）沿鋼纜傳播，當脈沖信號遇到被測介質表面時，雷達液位計的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發射裝置，發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間（t）成正比，經計算得出發射裝置至液面的距離（D）。

如圖1所示，可以得出液位高度（L）的計算公式：

圖1 加氫液化氣儲罐液位高度

即：液位百分比（l）=（L÷F）×100%

分析原因

顯然雷達液位計的測量不受介質變化、溫度變化、惰性氣體及蒸汽、粉塵、泡沫等的影響。 影響導波雷達液位計測量的因素除了安裝方式和外界信號干擾以外還有一個重要因素——介電常數（就是我們常說的DC值），介電常數愈大，介質物位反射回來的雷達回波信號就愈強。當被測介質的介電常數＜2.0時，雷達液位計的回波信號就會很弱。液化氣的介電常數為1.6~1.9，液化程度受溫度、壓力變化影響較大，加之加氫液化氣的不穩定性，導致介質介電常數變化較頻繁、變化范圍較大。介電常數過低會導致雷達波到達介質表面時，被介質反射回脈沖發射裝置的雷達波減少，從而使得回波信號變弱，雷達液位計信號處理單元會發出故障信號，變送器輸出則會按照預先設置的故障輸出模式（最后一個有效值）進行輸出，即產生了雷達液位計輸出值保持不變的情況。

提出解決方案

目前電子技術的突飛猛進，儀表行業受益匪淺。例如E+H公司生產的FMR51型雷達液位計可以實現遠程組態、儀表自整定及報警信息儲存的眾多實用功能，并且可以通過FieldCare SFE500計算機軟件對在線儀表參數進行編程和讀取儀表回波曲線。

方案

根據儀表出現的共性問題分析判斷，初步得到2種方案。一是通過工藝技術手段改變介質的理化特性，例如提高介質的壓力或溫度使其介電常數增大，達到雷達液位計許可范圍。此方案需要對工藝生產流程和設備做出改變，且需要投入高額的人力和財力成本，實現難度大、周期長，甚至可能會影響前后續工藝裝置的工藝指標，使工廠的運行增加難度，顯然這是不可行的；二是改變儀表測量方式為EOP測量，目的是實現類似伺服液位計的優點——儀表的測量可以不受介質介電常數、介質特性的影響，使測量準確可靠。對于導波雷達液位計來說，當被測介質液位很低，尤其是介電常數很低的介質，回波信號很弱，很難被雷達液位計探測到，這時采用EOP算法，儀表仍然可以準確地計算出液位。因脈沖信號需要通過整根導波纜繩（桿），信號傳輸時間較長，導致儀表靈敏度變低，但仍在工藝允許范圍。

EOP算法的工作原理

信號發送端發送出的脈沖信號，經過導波纜繩傳輸至纜繩末端，信號接收端檢測到導波纜繩末端返回的EOP信號，根據TOF原理計算出（信號發送至接受過程中物位的變化忽略不計）：

纜長L=V0×信號發射至接收的時間差值t/2

因儀表投入使用后EOP信號是經過空氣-被測介質-空氣后由信號接收天線接收，而脈沖信號在被測介質中的傳播速度遠遠小于在空氣中的傳播速度，顯然在被測介質中信號傳輸的時間會更長，所以，當容器中存在被測介質的情況下，通過式（1）所計算出的纜長L明顯大于在空氣中的纜長（即空罐狀態下的纜長L0），由此得出雷達液位計EOP回波偏移率：

如果同時檢測到脈沖信號與EOP信號，雷達液位計會根據檢測到的纜長L與實際纜長L0計算得出Ls，而且該過程是自動重復進行的。如果出現失波，儀表將會根據實時檢測到的L和上次計算出的Ls有效值計算出實際物位。

方案實施

理論狀態下，上述EOP測量方式完全可以滿足目前的工藝狀況技術指標。

在方案審批完成后，由工藝技術人員負責完成設備交出和安全交底，儀表專業確認交出狀態，嚴格執行作業票證審簽手續，在工藝監護人員到場后，才能實施具體的操作。

1.組態備份：通過HART通信或現場手動記錄的方式，對儀表原有的組態進行備份，目的是防止在組態修改后，如出現不可預見的不利結果，可以更加準確地恢復到原有參數。

2.儀表組態修改：通過HART通信手段，逐步進入儀表“Sensor（傳感器）”—“EOP evaluation（EOP計算）”菜單，逐步實施以下操作。

（1）介電常數：將原有的Automatic DC（自動介電常數）改為Fix DC（固定介電常數）。

（2）打開搜索EOP功能：將Negative EOP（拒絕EOP）改為Positive EOP（EOP優先）。

（3）修改優先權：將Level prefered（液位優先）改為EOP preferred（EOP優先）。

（4）輸入介電常數數值：EOP采用固定介電常數進行計算，因此在Calc.DC value（介電常數數值）一欄中輸入介質的介電常數的準確值或中間值。

3.探頭長度的修改：以上參數修改完成可通過EOP shift值的變化來驗證組態的準確性，如果此值穩定即可進入最后的探頭長度調整，進入Pres.length菜單，輸入正確的探頭長度。

4.持續觀察儀表輸出狀態。

總結

盡管雷達液位計具有較強的信號處理和分辨能力，能從大量的雜散回波中分辨出真實的液位信號，但當介質介電常數足夠低時，不能盲目地否定儀表測量的準確性，應通過技術方法努力挖掘出儀表更全面的功能，讓其在工業生產中極盡發揮。