定華雷達(dá)知識講堂：油庫雷達(dá)液位計設(shè)計選型

DHE-RD系列雷達(dá)物位計可廣泛應(yīng)用于液體和固體的物位測量。即使是在高壓、腐蝕性強(qiáng)、衛(wèi)生要求高或者極端工況下，也能連續(xù)測量各種介質(zhì)的物位高度。DHE-RD系列雷達(dá)物位計根據(jù)測量目的、物料特性和儲罐環(huán)境的不同，分為非接觸式雷達(dá)物位計和接觸式雷達(dá)（導(dǎo)波）物位計。

目前國內(nèi)外用于貿(mào)易交接計量的儲罐液位自動計量系統(tǒng)通常是混合式油罐測量系統(tǒng)（HTMS，hybrid tank measurement system）。HTMS中最常用的就是雷達(dá)液位計。雷達(dá)液位計沒有活動部件，沒有機(jī)械磨損，實際使用中發(fā)現(xiàn)工作時間一般都能達(dá)到10年，不污染環(huán)境，安裝方便。當(dāng)儲罐內(nèi)介質(zhì)比較粘稠、腐蝕性強(qiáng)時，非常適用。雷達(dá)液位計的精度高，工作溫度范圍寬，最大工作壓力可達(dá)4MPa，測量范圍為0-40m。通過采用不同的天線形式及導(dǎo)波管的應(yīng)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(mào)易交接計量精度（±1mm）的雷達(dá)都是非接觸式雷達(dá)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(fā)射以光速傳播的電磁波，當(dāng)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(fā)射到接受之間的滯后時間，來確定設(shè)定面與反射面之間的距離（空高）。

（2）復(fù)合調(diào)頻式原理（FMCW）。線性調(diào)頻的等幅微波信號通過天線發(fā)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(fā)射波混頻。混頻輸出信號的頻率與被測距離成正比。當(dāng)固態(tài)源的調(diào)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(shù)就可以計算得到距離（空高）。

2.液位測量影響因素

2.1罐內(nèi)溫度對儀表測量精度的影響

雷達(dá)天線發(fā)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(dāng)被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時，其帶來的反射時間變化很小。

2.2罐內(nèi)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(dá)液位計能在真空或受壓狀態(tài)下正常工作，真空狀態(tài)下微波傳播速率相對空氣狀態(tài)下僅變化0.029%；但當(dāng)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(zhì)特性對測量的影響

液體介質(zhì)的相對介電常數(shù)、液體表面的穩(wěn)定程度和氣泡等因素都會影響雷達(dá)波信號的反射，可能導(dǎo)致液位計無法正常工作。

雷達(dá)液位計測量罐內(nèi)液面時，最好是穩(wěn)定的，規(guī)則的液面。但是當(dāng)液體有流進(jìn)流出時，會有波浪使液面波動，在生產(chǎn)過程中還可能出現(xiàn)沸騰或起泡沫的現(xiàn)象，使液面變得模糊。

電磁波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的介電常數(shù)越小，衰減率越大，衰減率大了反射率就小。所以介電常數(shù)小，反射率弱，信號強(qiáng)度低。當(dāng)被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)小到一定值時，雷達(dá)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(dǎo)致液位計無法正常工作。不同公司的雷達(dá)液位計對最小相對介電常數(shù)的要求是不同的，這是因為介電常數(shù)的大小與溫度和電磁場有關(guān)。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(nèi)部的信號處理技術(shù)，儀表對相對介電常數(shù)最低值的硬性要求也越來越小。目前主要廠商（如：Honeywell，Saab）的產(chǎn)品可以測量相對介電常數(shù)只有1.2的介質(zhì)。

對于沸騰或擾動大的液面或被測介質(zhì)介電常數(shù)小，或為消除儲罐、容器結(jié)構(gòu)形狀可能導(dǎo)致的干擾影響，應(yīng)采用導(dǎo)波管及其它措施，增強(qiáng)回波信號，以確保測量精度。

3.天線形式及設(shè)計選型

天線的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)，應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的特性，儲罐類型、開口、罐內(nèi)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(dǎo)波管陣列（平面）天線和棒狀天線等。

對于常規(guī)的拱頂罐，雷達(dá)液位計應(yīng)是喇叭形（錐形）天線設(shè)計，可無需使用導(dǎo)向管，且可以靠近罐壁安裝，并保證測量的準(zhǔn)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(dá)非常適合，通常不用設(shè)導(dǎo)波管。

對于浮頂罐，雷達(dá)液位計應(yīng)采用平面天線設(shè)計，以便于安裝在油罐的導(dǎo)波管上。

對于高壓球罐，天線形式為加長喇叭口天線配導(dǎo)波管，還要配套提供一體化球閥，便于雷達(dá)液位計在帶壓狀態(tài)下的維護(hù)。為了在儲罐帶壓運行條件下進(jìn)行測量校驗，需要安裝參考設(shè)備：在導(dǎo)波管孔內(nèi)的參考針以及位于下方管道末端的帶參考環(huán)的反射板可在固定距離和己知的距離提供參考回波。

4.安裝注意事項

雷達(dá)液位要杜絕安裝儲罐頂部的中心處，這是因為天線發(fā)射的電磁波是在罐內(nèi)整個空間傳播的，罐壁和罐底反射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(zhì)表面反射回來的電磁波。

采用喇叭天線雷達(dá)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(shè)計合適的接管長度。

沒有配置導(dǎo)波管的雷達(dá)液位計根據(jù)天線形式的不同，所要求的儀表安裝連接短管距罐內(nèi)壁的距離也不同。通常，液位計連接短管中心距管內(nèi)壁的距離不宜小于波束寬的1/2。波束寬=2X測量距離Xtan（波束角/2），波束角為雷達(dá)波能力密度達(dá)到最大值的一半時的角度。當(dāng)天線發(fā)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。

審核編輯黃昊宇