油库雷达液位计设计选型

摘 要：目前随着油库自动计量系统的不断改进，出现了各种形式的储罐液位计及库存管理系统。高精度液位计中应用范围zui广的就是雷达液位计。雷达液位计有多种形式和不同的安装方式。应用人员在设计选型容易混淆，文章从工作原理、介质特性、天线形式和安装注意事项几方面进行研究分析，结合在大型油库的实际应用经验，给出了选型建议。

目前国内外用于贸易交接计量的储罐液位自动计量系统通常是混合式油罐测量系统（H T M S,hy brid t a n kmeasurement system）。HTMS中zui常用的就是雷达液位计。雷达液位计没有活动部件，没有机械磨损，实际使用中发现工作时间一般都能达到10年，不污染环境，安装方便。当储罐内介质比较粘稠、腐蚀性强时，非常适用。雷达液位计的精度高，工作温度范围宽，zui大工作压力可达4MPa，测量范围为0~40m。通过采用不同的天线形式及导波管的应用能够满足测量大部分储罐液位的要求。

1 工作原理及分类
       满足贸易交接计量精度（±1mm）的雷达都是非接触式雷达液位计。从测量原理上基本分为2大类：
（1）基于时间差法（time of flight）：天线发射以光速传播的电磁波，当滞后一段时间电磁波碰到液面后，会反射回来。距离与滞后时间成正比，仪表通过测出从发射到接受之间的滞后时间，来确定设定面与反射面之间的距离（空高）。
（2）复合调频式原理（FMCW）。线性调频的等幅微波信号通过天线发射出去，遇到障碍物时被反射回来，延迟一段时间后，仪表接受被反射回来的微波信号，并与部分发射波混频。混频输出信号的频率与被测距离成正比。当固态源的调制频率和频偏一定时，只要测出差频频率，通过信号处理技术就可以计算得到距离（空高）。

2 液位测量影响因素
2.1 罐内温度对仪表测量精度的影响
        雷达天线发射的电磁波在真空中也可以传播。在空气中传播时，温度变化基本不影响其传播速率。当被测介质温度发生变化时，其带来的反射时间变化很小。

2.2 罐内压力对仪表测量精度的影响
        微波传播几乎不受空气密度变化的影响，因此雷达液位计能在真空或受压状态下正常工作，真空状态下微波传播速率相对空气状态下仅变化0.029％[ 1 - 3 ]；但当操作压力高到某一范围时，压力对测量带来的误差就不容忽视。
2.3 介质特性对测量的影响
        液体介质的相对介电常数、液体表面的稳定程度和气泡等因素都会影响雷达波信号的反射，可能导致液位计无法正常工作。
        雷达液位计测量罐内液面时，zui好是稳定的，规则的液面。但是当液体有流进流出时，会有波浪使液面波动，在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。
        电磁波在介质中传播时，介质的介电常数越小，衰减率越大，衰减率大了反射率就小。所以介电常数小--反射率弱--信号强度低。当被测介质的相对介电常数小到一定值时，雷达波的有效反射信号衰减过大，仪表接受到的反射波能量过小，再加上干扰波会导致液位计无法正常工作。不同企业的雷达液位计对zui小相对介电常数的要求是不同的，这是因为介电常数的大小与温度和电磁场有关。但是通过其他措施减少电磁波反射能量损失或提高仪表内部的信号处理技术，仪表对相对介电常数zui低值的硬性要求也越来越小。
        目前主要厂商（如：Honeywell，Saab）的产品可以测量相对介电常数只有1.2的介质。
        对于沸腾或扰动大的液面或被测介质介电常数小，或为消除储罐、容器结构形状可能导致的干扰影响，应采用导波管及其它措施，增强回波信号，以确保测量精度。

3 天线形式及设计选型
        天线的结构形式及材质，应根据被测介质的特性，储罐类型、开口、罐内温度、压力等因素确定。常见的形式有喇叭形（锥形）天线，抛物面天线，导波管阵列（平面）天线和棒状天线等。
        对于常规的拱顶罐，雷达液位计应是喇叭形（锥形）天线设计，可无需使用导向管，且可以靠近罐壁安装，并保证测量的准确度。
        对于比较粘稠和需要伴热的拱顶罐，具有抗粘连能力的抛物面天线雷达非常适合，通常不用设导波管。
        对于浮顶罐，雷达液位计应采用平面天线设计，以便于安装在油罐的导波管上。
        对于高压球罐，天线形式为加长喇叭口天线配导波管，还要配套提供一体化球阀，便于雷达液位计在带压状态下的维护。为了在储罐带压运行条件下进行测量校验，需要安装参考设备：在导波管孔内的参考针以及位于下方管道末端的带参考环的反射板可在固定距离和已知的距离提供参考回波。

4 安装注意事项
      雷达液位要杜绝安装储罐顶部的中心处，这是因为天线发射的电磁波是在罐内整个空间传播的，罐壁和罐底反回来的电磁波会集中在中心处，形成很大的干扰，会淹没正常的从介质表面反射回来的电磁波。
       采用喇叭天线雷达液位计，天线伸出接管至少10mm，如果在容器上的接管长度无法满足上述要求，可以使用天线延伸管或咨询制造厂设计合适的接管长度。

       没有配置导波管的雷达液位计根据天线形式的不同，所要求的仪表安装连接短管距罐内壁的距离也不同。通常，液位计连接短管中心距管内壁的距离不宜小于波束宽的1/2。波束宽=2×测量距离×tan（波束角/2），波束角为雷达波能力密度达到zui大值的一半时的角度。当天线发射的微波频率固定时，尺寸越大，波束角越小。抛物面天线相比于喇叭形天线，波束宽要小的多。