定華雷達知識講堂：油庫雷達液位計設計選型

DHE-RD系列雷達物位計可廣泛應用于液體和固體的物位測量。即使是在高壓、腐蝕性強、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，分為非接觸式雷達物位計和接觸式雷達（導波）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液位計。雷達液位計沒有活動部件，沒有機械磨損，實際使用中發(fā)現(xiàn)工作時間一般都能達到10年，不污染環(huán)境，安裝方便。當儲罐內(nèi)介質(zhì)比較粘稠、腐蝕性強時，非常適用。雷達液位計的精度高，工作溫度范圍寬，最大工作壓力可達4MPa，測量范圍為0-40m。通過采用不同的天線形式及導波管的應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）的雷達都是非接觸式雷達液位計。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，來確定設定面與反射面之間的距離（空高）。

（2）復合調(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?；祛l輸出信號的頻率與被測距離成正比。當固態(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波信號的反射，可能導致液位計無法正常工作。

雷達液位計測量罐內(nèi)液面時，最好是穩(wěn)定的，規(guī)則的液面。但是當液體有流進流出時，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，信號強度低。當被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)小到一定值時，雷達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，再加上干擾波會導致液位計無法正常工作。不同公司的雷達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)形狀可能導致的干擾影響，應采用導波管及其它措施，增強回波信號，以確保測量精度。

3.天線形式及設計選型

天線的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)，應根據(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，雷達液位計應是喇叭形（錐形）天線設計，可無需使用導向管，且可以靠近罐壁安裝，并保證測量的準確度。

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非常適合，通常不用設導波管。

對于浮頂罐，雷達液位計應采用平面天線設計，以便于安裝在油罐的導波管上。

對于高壓球罐，天線形式為加長喇叭口天線配導波管，還要配套提供一體化球閥，便于雷達液位計在帶壓狀態(tài)下的維護。為了在儲罐帶壓運行條件下進行測量校驗，需要安裝參考設備：在導波管孔內(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計合適的接管長度。

沒有配置導波管的雷達液位計根據(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），波束角為雷達波能力密度達到最大值的一半時的角度。當天線發(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