董合林，王飛，楊暉

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363122)

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雷達(dá)物位計(jì)的應(yīng)用及故障處理

董合林，王飛，楊暉

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363122)

從應(yīng)用角度出發(fā)，比較了雷達(dá)液位計(jì)的接觸與非接觸使用方式的差異，分析了非接觸式雷達(dá)的頻率和天線選型、導(dǎo)波雷達(dá)的探桿選擇，詳細(xì)論述了穩(wěn)液井的制作要求。闡釋了雷達(dá)物位計(jì)常見(jiàn)故障的處理方法，特別介紹了回波曲線和電子干擾回波抑制在分析解決問(wèn)題、優(yōu)化回波質(zhì)量中的應(yīng)用。實(shí)踐證明： 該方法切實(shí)有效，可以有效地提高測(cè)量質(zhì)量。

非接觸導(dǎo)波天線探頭穩(wěn)液井電子干擾回波抑制

Abstracts： The differences of contacting and non-contacting application modes for Radar level gauge are compared from the point of application. Antennas type selection， frequency， probe selection for guided wave radar of non-contacting radar are analyzed. The construction requirements of stilling wells are discussed in detail. Troubleshooting methods for common failure of Radar level gauge are expounded. Application of echo curve and electronic suppression of false echoes in problem analysis and optimization of echo wave quality is especially introduced. The practice indicates the mean is really efficient and measurement quality can be improved.

雷達(dá)(微波)物位計(jì)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)，性價(jià)比與日俱增，如今已占物位測(cè)量領(lǐng)域市場(chǎng)份額的25%，僅次于壓力(差壓)式物位計(jì)。

雷達(dá)物位計(jì)基于有源雷達(dá)的回波測(cè)距原理，即電磁波(通常采用微波段)在傳播途中介質(zhì)的介電常數(shù)或幾何形狀改變時(shí)發(fā)生反射。根據(jù)電磁波處理方式的不同，雷達(dá)物位計(jì)分為調(diào)頻連續(xù)波型FMCW(frequency modulated continue wave)和脈沖(pulse)型，前者的處理對(duì)象為發(fā)射與接收信號(hào)的頻率差，后者為時(shí)間差。一般而言，采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，電子線路復(fù)雜，功耗大，大多采用四線制，但信號(hào)強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量穩(wěn)定、精確度高，多用于儲(chǔ)罐計(jì)量；采用脈沖波技術(shù)，功耗低，一般用二線制24V (DC)測(cè)量回路供電，容易實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，處理算法成熟豐富，適用范圍廣，更適合于工況復(fù)雜多變的過(guò)程測(cè)量。但近年來(lái)隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，兩者在測(cè)量和使用效果上的差異越來(lái)越小，精度都可以達(dá)到±1mm以內(nèi)，都有高速跟蹤液位的表現(xiàn)。另外，還有將兩者結(jié)合起來(lái)的調(diào)頻脈沖波型雷達(dá)，其脈沖波的載波是連續(xù)調(diào)頻的。

1　雷達(dá)物位計(jì)設(shè)計(jì)選型

1.1雷達(dá)物位計(jì)綜述

根據(jù)電磁波傳播方式的不同雷達(dá)物位計(jì)可分為介質(zhì)接觸式與非接觸式。前者電磁波在導(dǎo)波材料限定的空間內(nèi)傳播，后者在自由空間里傳播。

安裝在自由空間里的非接觸雷達(dá)，其微波信號(hào)以天線中心為軸線發(fā)射，并沿著此軸線在1個(gè)限定的錐形束角內(nèi)(即半功率波束寬度，又稱波束角、輻射角、散射角，有時(shí)波束角外的能量也不容忽視)推進(jìn)傳播，傳播沿程信號(hào)以“反比于距離二次方”的速度迅速衰減。因此，測(cè)量的關(guān)鍵是接收到足夠能量的反射回波，并識(shí)別出有效回波。接收的回波能量Pk可用簡(jiǎn)化的雷達(dá)方程表示如下：

Pk=PτCGiGtGr/R2

(1)

式中：Pτ——天線輻射功率；C——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Gi——由目標(biāo)表面介電特性及面積決定的反射增益，Gt，Gr——天線發(fā)射和接收效率；R——天線與目標(biāo)間的距離。

上述參數(shù)是設(shè)計(jì)、應(yīng)用雷達(dá)物位計(jì)必須考慮的重要因數(shù)。表1列出了反射回波能量的衰減與雷達(dá)物位計(jì)4參數(shù)的關(guān)系。

表1　反射回波能量的衰減與4參數(shù)的關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，電磁波在自由空間傳播的非接觸雷達(dá)物位計(jì)所接收到的返回信號(hào)能量遠(yuǎn)小于它所發(fā)出能量的0.1%。采用波導(dǎo)體可以約束電磁波的傳播空間，減少散射，大幅提高反射回波的質(zhì)量，使得返回信號(hào)中的干擾性雜散信號(hào)極小，簡(jiǎn)化回波的分辨處理，從而發(fā)射功率也可以更低，故導(dǎo)波雷達(dá)一般都采用脈沖式工作原理。

1.2介質(zhì)接觸與非接觸的使用方式

接觸與非接觸的分類依據(jù)是雷達(dá)波傳播方式的不同[1]，介質(zhì)接觸即為導(dǎo)波，如果有必要且能夠使用介質(zhì)接觸式測(cè)量方法，接觸式為首選。波導(dǎo)體可以是儀表自帶的探桿，也可以是現(xiàn)場(chǎng)制作的金屬管。

介質(zhì)接觸應(yīng)用方式包括導(dǎo)波雷達(dá)(guided waved radar)，穩(wěn)液井(stilling well)和旁通管(bypass pipe or external chamber or side vessel)里安裝的非接觸雷達(dá)(non-contacting radar or through air radar or free-radiating radar)或?qū)Рɡ走_(dá)；導(dǎo)波雷達(dá)探頭形式有同軸、剛性桿、柔性纜，導(dǎo)波雷達(dá)的同軸式探頭從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是小口徑穩(wěn)液井中心加了1根剛性探桿。與穩(wěn)液井或旁通管里安裝非接觸雷達(dá)相比較，導(dǎo)波雷達(dá)是一種簡(jiǎn)單的解決方案，兩者目標(biāo)一致。

1.2.1適宜介質(zhì)接觸的工況

非接觸雷達(dá)采用間接測(cè)量技術(shù)，如罐底跟蹤模式，利用物位變化時(shí)罐底回波行程的改變甚至可以測(cè)量介電常數(shù)低至1.05的物料，類似的技術(shù)也用在導(dǎo)波雷達(dá)上[2]。

2) 物料氣相阻礙或吸收雷達(dá)波。氣相中存在使雷達(dá)波衰減的物質(zhì)，如含高介電性的粉塵粉末(石墨，鐵合金等)，測(cè)量距離和效果會(huì)受影響。

某些物質(zhì)因自身或與空氣中其他成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而電離成離子，從而使其氣相具有微波吸收性，其氣液兩相介電常數(shù)的差別也因此減小，這樣會(huì)削弱界面回波。如液氨的介電常數(shù)常溫下(25℃)為14.9，不屬于非導(dǎo)電介質(zhì)，仍應(yīng)采用穩(wěn)液井上的低頻非接觸雷達(dá)或?qū)Рɡ走_(dá)物位計(jì)。

固體物料堆積往往有一定的安息角，此時(shí)應(yīng)考慮導(dǎo)波雷達(dá)。特別是粉狀物料，表面疏松以及介電常數(shù)很低的塑料粒子，微波反射相當(dāng)困難，且氣相中嚴(yán)重的粉塵會(huì)在一定程度上反射回波。

3) 安裝環(huán)境復(fù)雜。容器內(nèi)設(shè)備的反射會(huì)帶來(lái)較大干擾，有以下幾種情況： 內(nèi)障礙物較多，比如在非接觸雷達(dá)的波束角內(nèi)有液位開(kāi)關(guān)或溫度傳感器；內(nèi)有相對(duì)于雷達(dá)天線即測(cè)量參考點(diǎn)對(duì)稱的裝置，如加熱盤管、隔板等；球罐和臥罐、水平圓柱形和球形儲(chǔ)罐的罐壁及罐底會(huì)帶來(lái)較大的反射干擾，可能存在因容器形狀而導(dǎo)致多重回波所產(chǎn)生的干擾影響。特別是容器內(nèi)障礙物太多或?qū)Рɡ走_(dá)的探頭與障礙物太近時(shí)，應(yīng)使用抗干擾能力強(qiáng)的同軸探頭。

浮頂罐一般采用穩(wěn)液井，高精度測(cè)量時(shí)還要考慮介質(zhì)氣化對(duì)微波傳輸速度的影響。

4) 液面湍動(dòng)及液面有泡沫。液面湍動(dòng)有可能引起多徑反射，要避免安裝在有很強(qiáng)渦流的地方，如攪拌或很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)處。表面的泡沫可能會(huì)吸收或反射雷達(dá)波，視泡沫的導(dǎo)電性而定： 對(duì)于干泡沫，微波信號(hào)可以穿過(guò)，直接到達(dá)液體表面；中性泡沫可能吸收或散射微波，難以預(yù)判；濕泡沫表面會(huì)反射微波信號(hào)；當(dāng)介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時(shí)，測(cè)量誤差較大或無(wú)法測(cè)量。相比而言，低頻雷達(dá)穿透泡沫的能力比高頻強(qiáng)。

采用四線制、大尺寸特殊設(shè)計(jì)天線、高頻、連續(xù)調(diào)頻波的非接觸雷達(dá)物位計(jì)能發(fā)射接收到更強(qiáng)的信號(hào)，并采用功能強(qiáng)大的微處理器進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理，可以在很大程度上應(yīng)對(duì)上述四種工況，應(yīng)用非接觸雷達(dá)物位測(cè)量方法同樣可測(cè)介電常數(shù)低至1.2的物料的液面，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)；另外，先進(jìn)的干擾回波鎖定及干擾抑制技術(shù)也可以很大程度上克服干擾。但是，相比接觸式測(cè)量方式，其價(jià)格昂貴。

5) 界位測(cè)量。導(dǎo)波雷達(dá)的低頻波穿透性強(qiáng)，無(wú)發(fā)散角，回波更強(qiáng)，使其不僅適合測(cè)量氣液(氣固)兩相的界面，還可以測(cè)量介電常數(shù)相差大的上層非導(dǎo)電與下層導(dǎo)電液體的界位。典型應(yīng)用是油水界位測(cè)量，但需注意介電常數(shù)對(duì)電磁波速度的影響，上層物料的介電常數(shù)必須精確輸入雷達(dá)，液界位已知時(shí)則可反算介電常數(shù)。

1.2.2不宜接觸介質(zhì)的情況

使用介質(zhì)接觸測(cè)量方法就意味著放棄了非介質(zhì)接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，以下情況應(yīng)使用非接觸測(cè)量方法：

1) 高黏度、嚴(yán)重沉積和結(jié)晶的介質(zhì)。污染物或沉積物容易積聚在探頭或穩(wěn)液井內(nèi)壁上。薄的、均勻的積聚物對(duì)測(cè)量有輕微的影響；厚的積聚物會(huì)造成信號(hào)衰減并減小測(cè)量范圍；厚重、不均勻的粘附物形成結(jié)疤處有可能被錯(cuò)誤地評(píng)定為界位，導(dǎo)致不正確的測(cè)量。相對(duì)來(lái)說(shuō)，同軸探頭與雙探頭抗干擾的能力最強(qiáng)，也最容易受掛料的影響。該種情況下，應(yīng)采用非接觸式測(cè)量方法。注意此時(shí)一般有加熱盤管、攪拌葉片、攪拌產(chǎn)生的泡沫漩渦、湍動(dòng)液面、物料揮發(fā)、蒸汽等不利測(cè)量的因素存在，這些都是非接觸雷達(dá)選型安裝時(shí)要著重考慮的。

2) 探頭容易損傷的場(chǎng)合。容器內(nèi)安裝攪拌器，有時(shí)攪拌器會(huì)對(duì)探頭產(chǎn)生較大機(jī)械負(fù)載的場(chǎng)合，橫向切應(yīng)力可能會(huì)折斷探頭，需要機(jī)械支架或者安裝應(yīng)用穩(wěn)液井和旁通，確認(rèn)是否采用非接觸式測(cè)量?jī)x表更合適；另外，具有強(qiáng)研磨作用的固體塊料，如鐵氧體，會(huì)磨損導(dǎo)波雷達(dá)的探頭，降低探頭的張力負(fù)載，也容易損傷探頭。

1.3非接觸雷達(dá)的高頻與低頻

頻率影響決定不了精度，精度受雷達(dá)信號(hào)發(fā)射接收方式及回波處理算法的影響[3]。

1.3.1高頻的優(yōu)勢(shì)

高頻雷達(dá)物位計(jì)具有能量集中的特點(diǎn)，應(yīng)用小尺寸的天線就能獲得小波束角和大的天線增益。天線有“孔徑”和匯聚效應(yīng)[4]，以普通錐形天線為例，天線尺寸(圓錐天線直徑D)和頻率也決定了散射(波束)角的大小，波長(zhǎng)λ越短，波束角越小，增益越大，能量更強(qiáng)更集中，量程更大。如5.8 GHz雷達(dá)天線尺寸為150，200，250mm時(shí)，散射角約為23°，19°，15°；26GHz雷達(dá)天線尺寸為40，50，80，100mm時(shí)，散射角約為23°，18°，10°，8°。故高頻雷達(dá)物位計(jì)適合形狀狹高的儲(chǔ)罐，能避開(kāi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)罐中的干擾。

測(cè)量散料時(shí)，回波主要來(lái)自粗糙料面的漫反射，漫反射的強(qiáng)度與物料大小成正比，與波長(zhǎng)成反比，當(dāng)反射面的線度與波長(zhǎng)相當(dāng)或更大時(shí)，才能發(fā)生反射。顯然，工作頻率越高，其波長(zhǎng)越小，對(duì)于顆粒較小的物料，更易于發(fā)生漫反射，而大部分散料的直徑遠(yuǎn)小于50mm，故高頻雷達(dá)是散裝料物位測(cè)量的最佳選擇，較小的波長(zhǎng)可以最大程度保證發(fā)射出去的雷達(dá)波能夠在粗糙的固體表面反射回雷達(dá)探頭。

1.3.2低頻的特點(diǎn)

高頻波穿透介質(zhì)時(shí)，表現(xiàn)更強(qiáng)的散射性，測(cè)量空間有粉塵或蒸汽時(shí)，散射損失的能量較多，氣體的諧振會(huì)對(duì)某些頻率的微波產(chǎn)生選擇性的吸收和散射，空氣中的氧和水蒸氣在K波段存在顯著的吸收波峰，故高頻并不總是最佳選擇[5]。

低頻雷達(dá)抗天線掛料和冷凝物的能力強(qiáng)，它較大的波束角和較長(zhǎng)的波長(zhǎng)使之在液面湍動(dòng)的情況下能提供最好的回波。低頻雷達(dá)穿透泡沫的能力也強(qiáng)于高頻，受沸騰表面影響小，表面沸騰、冒泡、趨于生成泡沫時(shí)，低頻更合適。

1.4非接觸雷達(dá)的天線

天線是雷達(dá)物位計(jì)的關(guān)鍵部件，天線的材質(zhì)、形狀和尺寸決定雷達(dá)波的聚焦和靈敏度。

1) 圓錐天線與管狀天線。圓錐與管狀天線采用不銹鋼、哈氏合金或鉭等材質(zhì)， 具有聚焦特性優(yōu)異、物理及化學(xué)特性穩(wěn)定、耐用牢固等優(yōu)點(diǎn)，適用于絕大多數(shù)場(chǎng)合。兩種天線形狀近似，同口徑的管狀天線更長(zhǎng)，聚焦性更強(qiáng)，有些管狀天線是專門為管內(nèi)安裝設(shè)計(jì)的，套管及近管壁適應(yīng)性更好。

圓錐天線整體包覆PTFE、陶瓷或其他耐腐蝕絕緣材料，做成密封天線，會(huì)顯著提高其化學(xué)穩(wěn)定性、抗凝水及抗粘附能力[6]，尤其適用于尺寸小的高頻天線。一體化墊片法蘭天線，即所謂法蘭下置型天線就屬于這一類，其圓錐內(nèi)藏，本質(zhì)是放置在一塊高分子絕緣材料板后面的喇叭口天線，板一般呈倒三角錐形，由于微波可穿透，又稱為“窗”，主要用于強(qiáng)腐蝕性或衛(wèi)生程度要求很高介質(zhì)的液位測(cè)量。

2) 絕緣桿天線。絕緣桿天線又稱桿式天線、衛(wèi)生型天線，一般由PPS，PTFE，Teflon等化學(xué)高分子材料制成，化學(xué)特性穩(wěn)定，特別適用于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)或衛(wèi)生程度要求很高的場(chǎng)合。其冷凝物自流除，易清洗；冷凝水積聚及介質(zhì)粘附的敏感程度要小于喇叭口天線，這是因?yàn)闂U式天線有效發(fā)射電磁波的面積要遠(yuǎn)大于喇叭天線 (后者饋源只有筆尖大小)；其天線的安裝接管尺寸小，特別是帶有金屬屏蔽管的天線可適應(yīng)更細(xì)的安裝接管，可在小管徑及有冷凝和粘附的安裝短管內(nèi)進(jìn)行可靠測(cè)量，多用于C，X波段雷達(dá)，一般發(fā)射波束角大，信噪比小，常用于測(cè)量條件較好的衛(wèi)生型、腐蝕性介質(zhì)的測(cè)量。相比其他種類天線，絕緣桿天線抗荷能力差，受力會(huì)有變形或折斷的危險(xiǎn)。

3) 水滴(球)型天線。水滴型天線采用水滴形寬帶振子作為饋源，尤其適合連續(xù)調(diào)頻波雷達(dá)。材質(zhì)為PP或PTFE等化學(xué)高分子材料，橢圓形的結(jié)構(gòu)，表面光滑，不易掛料，容易自清潔。在與錐形天線尺寸同等的情況下，水滴型天線的波束角更小，K波段天線尺寸為80，150mm時(shí)，散射角分別為8°，4°，但機(jī)械強(qiáng)度弱于錐形天線。

4) 拋物面天線。拋物面反射器與焦點(diǎn)處的饋源兩部分組成短背射拋物面天線，波束角可以做到4°或更小，能量集中，干擾回波少，量程更大，適用于測(cè)量低介電常數(shù)的料面，可用于狹長(zhǎng)儲(chǔ)罐。其天線尺寸同樣在 C，X，K三波段依次減小，如5.8 GHz時(shí)，尺寸為450mm的天線可獲得7°的波束角；26GHz時(shí)，尺寸為200mm天線可獲得4°的波束角。大尺寸拋物面天線的低頻雷達(dá)物位計(jì)在嚴(yán)重結(jié)垢結(jié)焦、掛料、蒸汽、冷凝的場(chǎng)合中應(yīng)用有良好效果對(duì)污染最不敏感，幾乎完全免維護(hù)，但拆裝不便。

5) 平面陣列天線。平面陣列天線采用平面陣列技術(shù)，將若干個(gè)小天線組成天線陣，其多點(diǎn)發(fā)射源在同一平面內(nèi)，使得測(cè)量參考點(diǎn)由一基準(zhǔn)點(diǎn)變成了一基準(zhǔn)平面，配以相應(yīng)電子線路和信號(hào)處理方式，可以大幅提高測(cè)量精度。普通天線安裝在穩(wěn)液井內(nèi)時(shí)，其測(cè)量精度會(huì)顯著降低，且易受管壁平整度的影響，而穩(wěn)液井專用平面陣列天線，其多點(diǎn)發(fā)射源的電磁場(chǎng)模式使得各方向的電磁場(chǎng)能量分布動(dòng)態(tài)均衡(相對(duì)于單點(diǎn)發(fā)射源線性極化的電磁場(chǎng)能量分布)，電磁場(chǎng)能量主要集中于管中心，可有效克服不平整管內(nèi)壁(焊縫、生銹、掛料等)的影響[7]。平面天線的缺點(diǎn)是抗自身冷凝與掛料結(jié)垢的能力弱于其他種類。

1.5穩(wěn)液井與旁通管的應(yīng)用

穩(wěn)液井的材質(zhì)一般為金屬，導(dǎo)波雷達(dá)或伺服液位計(jì)可以安裝在金屬、塑料或其他不導(dǎo)電材料制作的豎管里，所有豎管都能隔離工況，去除泡沫，提供穩(wěn)定的反射面。因此，穩(wěn)液井也稱穩(wěn)態(tài)管或穩(wěn)波管，但只有金屬材質(zhì)才能起到屏蔽干擾與聚波(導(dǎo)波)的作用。當(dāng)穩(wěn)液井起導(dǎo)波作用時(shí)可稱作導(dǎo)波管，為保證可靠測(cè)量，一般有如下要求：

1) 管徑。管內(nèi)徑必須恒定，微波的傳播、衰減模式與微波的頻率和導(dǎo)波管的內(nèi)徑有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)波管內(nèi)微波的傳輸速度由管內(nèi)徑和微波波長(zhǎng)決定，內(nèi)徑減小，速度也會(huì)相應(yīng)減小，管徑必須均勻并精確測(cè)量后輸入雷達(dá)，雷達(dá)內(nèi)部軟件會(huì)對(duì)波速變化進(jìn)行補(bǔ)償，內(nèi)徑不均將帶來(lái)誤差。

管內(nèi)的微波傳輸模態(tài)(mode)不止一個(gè)[8]，每一模態(tài)都有獨(dú)一無(wú)二的傳輸速度，模態(tài)數(shù)與雷達(dá)波的頻率和管徑相關(guān)。為限制模態(tài)數(shù)，管徑建議為50～80mm，一般不超過(guò)200mm。大口徑管里，低頻優(yōu)于高頻，故高頻雷達(dá)更應(yīng)該使用小口管徑。

6GHz，10GHz，26GHz的非接觸雷達(dá)管徑尺寸范圍一般為80～200mm，80～150mm，40～100mm，不同管徑應(yīng)配合相應(yīng)尺寸的圓錐天線。天線外沿與管壁的間隙越小越好，大間隙可能帶來(lái)大的測(cè)量誤差，小間隙有助于在惡劣條件(管壁掛料、蒸汽、旁路入口管、焊縫、隔離球閥)下提高精度，增大量程；單探頭導(dǎo)波雷達(dá)的相配管徑一般為40～150mm；平面天線管內(nèi)徑可以達(dá)到300mm。

低頻比高頻更適于內(nèi)壁骯臟、掛料、冷凝場(chǎng)合的應(yīng)用，即內(nèi)壁粗糙時(shí)，低頻優(yōu)于高頻，故低頻更適于管內(nèi)安裝。高頻安裝的裝配要求低(如小的波束角允許天線在小距離抬出安裝管時(shí)仍能正確測(cè)量)，但應(yīng)該用于潔凈場(chǎng)合。應(yīng)用于粘附性介質(zhì)，管徑應(yīng)適當(dāng)大一些。

2) 長(zhǎng)度。測(cè)量范圍從管末開(kāi)始，故導(dǎo)波管的末端開(kāi)口的必須達(dá)到需要測(cè)量的最低液位，這樣才能在管中進(jìn)行測(cè)量。

3) 內(nèi)壁光滑。粗糙的內(nèi)壁反射將帶來(lái)強(qiáng)烈干擾，削減有效回波，引發(fā)誤差甚至不正確的測(cè)量。內(nèi)壁應(yīng)避免生銹、掛料、焊縫。管材最好為無(wú)縫不銹鋼管，盡量避免焊接延長(zhǎng)。采用預(yù)焊接外套管接頭或法蘭延長(zhǎng)時(shí)，接管需精確對(duì)齊，縫隙也有嚴(yán)格限制。

4) 開(kāi)孔。開(kāi)孔的唯一目的就是導(dǎo)液，以保證管內(nèi)外界面一致。孔徑不大于管徑的10%，大的開(kāi)孔會(huì)帶來(lái)虛假回波，孔距至少為150mm(或遵循儀表安裝說(shuō)明)，且至少有一個(gè)孔高于液面。開(kāi)孔面積及數(shù)量與介質(zhì)特性(黏度、分層、混合程度)有關(guān)，孔可以單側(cè)開(kāi)或?qū)﹂_(kāi)，排成縱列，小心去除毛刺。

5) 安裝定位。對(duì)于微波線性極化的雷達(dá)，允許開(kāi)導(dǎo)液效果更好的長(zhǎng)圓孔甚至長(zhǎng)方孔(同樣要求寬度不大于管徑的10%)，開(kāi)孔長(zhǎng)度和數(shù)量不會(huì)對(duì)測(cè)量有任何影響。這是因?yàn)槠浒l(fā)射的微波有很強(qiáng)的方向性(偏振)，整個(gè)雷達(dá)發(fā)射波的能量分布是以近似橢圓形的形狀發(fā)射出去的，為減小干擾，一般要求橢圓長(zhǎng)軸(極性)方向垂直于干擾源。

對(duì)于微波圓極化的雷達(dá)，所發(fā)射微波能量各方向也是不均的，但其極性是旋轉(zhuǎn)變化的，故安裝無(wú)需特定方向。根據(jù)反射波的極性識(shí)別，可以削減固定干擾源、多徑反射帶來(lái)的虛假回波，更好地跟蹤液面回波?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，可嘗試旋轉(zhuǎn)雷達(dá)，同時(shí)查看回波質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)最佳位置安裝。

6) 適配的天線與探桿形式。管內(nèi)一般安裝圓錐和平面陣列天線的非接觸雷達(dá)或者導(dǎo)波雷達(dá)，絕緣桿天線的非接觸雷達(dá)則視具體型號(hào)而定。使用平面陣列天線或者導(dǎo)波探桿時(shí)，對(duì)導(dǎo)波管內(nèi)壁光滑度要求大幅降低，甚至允許按一定的要求變徑。

7) 附件?？梢源┻^(guò)球閥進(jìn)行測(cè)量，閥必須全開(kāi)與穩(wěn)液井同徑對(duì)齊，保證雷達(dá)與靜液井上球閥或旁通管入口有一定的垂直距離。測(cè)量湍動(dòng)或流動(dòng)的介質(zhì)，需要將導(dǎo)波管固定；對(duì)于較長(zhǎng)的導(dǎo)波管，須考慮分段固定。

絕緣物料反射率低，淺液位時(shí)，雷達(dá)信號(hào)可穿透液位到達(dá)罐底，平金屬器底的反射會(huì)強(qiáng)于真實(shí)料面，此時(shí)需在導(dǎo)波管末端安裝斜置的反射板或?qū)?dǎo)波管末端彎曲，避免朝向器壁及大的金屬內(nèi)構(gòu)件。根據(jù)需要，穩(wěn)液井可以按一定要求彎曲。

1.6導(dǎo)波雷達(dá)的探頭

導(dǎo)波雷達(dá)的探頭有剛性(rigid rod probe)和柔性(flexible cable or rope probe)兩種。不便使用剛性探桿(安裝空間受限、長(zhǎng)量程運(yùn)輸安裝困難)時(shí)，可使用柔性纜繩，固定末端可使柔性纜繩垂直于傾斜的固體料面；同軸、雙探頭、單探頭結(jié)構(gòu)則根據(jù)工況選取，探頭長(zhǎng)度可根據(jù)量程任意切割。

1) 同軸探頭。同軸式探頭雷達(dá)能量集中在小口徑的金屬管內(nèi)，導(dǎo)波沿程阻值恒定，能量傳輸效率高，可檢測(cè)到微小的導(dǎo)電(介電)性變化，更適于超低介電常數(shù)液體物位或界位測(cè)量，不受液面湍動(dòng)的影響，抗干擾能力強(qiáng)，安裝空間要求低，可以近容器內(nèi)金屬構(gòu)件安裝或與其他物位儀表裝在同一旁通管內(nèi)，且互不影響。其結(jié)構(gòu)決定了其適用于低黏度(不大于500mm2/s)清潔介質(zhì)，不適用于臟污、濃重、高黏度、易結(jié)晶的物料。

2) 平行雙探頭。雷達(dá)能量主要集中在兩探頭之間。測(cè)量能力、抗干擾、抗粘附能力介于同軸和單探頭之間，可應(yīng)用于泡沫與輕度掛料場(chǎng)合，膜狀涂污僅會(huì)削弱信號(hào)，掛料在探頭間“搭橋”或在隔離器上堆積會(huì)導(dǎo)致測(cè)量異常，回波較強(qiáng)的橋接處會(huì)錯(cuò)誤地評(píng)定為液位。另有三探頭，原理類似。

3) 單探頭。單探頭雷達(dá)能量主要分布在探頭周圍約300mm的圓周里，測(cè)量絕緣(低介電常數(shù))物料敏感性不如前兩種結(jié)構(gòu)的探頭；外界干擾敏感，應(yīng)避免靠近干擾物體(容器內(nèi)壁、內(nèi)構(gòu)間)安裝，對(duì)安裝接管的內(nèi)徑與長(zhǎng)度有要求，不滿足時(shí)將有多重回波反射，削弱測(cè)量信號(hào)，甚至測(cè)量失常；不易掛料，固體、黏度大和臟污的物料可選擇。

2　雷達(dá)物位計(jì)典型應(yīng)用與故障處理

雷達(dá)物位測(cè)量發(fā)展到今天，其技術(shù)逐漸成熟，主流產(chǎn)品較少出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，故障主要集中在應(yīng)用上。下面論述典型故障及處理措施。

2.1選型不當(dāng)

某廠污油罐，物料為不合格待回收的溶劑油或石腦油，可能含微量的水和雜質(zhì)。罐為常壓鋼結(jié)構(gòu)埋地臥罐；罐頂人孔上預(yù)留了DN150液位計(jì)法蘭口，人孔下有爬梯，爬梯傾斜向人孔，末端固定于罐底，罐深約為1.5m。

初期，應(yīng)用投入式靜壓液位計(jì)，由于物料組分變化，密度不一，測(cè)量效果差，膜盒也很快糊堵，導(dǎo)致液位測(cè)量無(wú)法參考。于是，改用非接觸脈沖雷達(dá)5401AH2E56SPVKAM1。該雷達(dá)精度為±10mm，工作頻率為6GHz，波束角大(23°)，高液位時(shí)指示良好，液位低于20%時(shí)不穩(wěn)定，記錄趨勢(shì)曲線呈鋸齒狀。

顯然，儲(chǔ)罐自身結(jié)構(gòu)是液位低時(shí)測(cè)量失常的原因，此時(shí)用雙桿導(dǎo)波雷達(dá)比較合適，非接觸高頻連續(xù)調(diào)頻波雷達(dá)在類似工況下有成功應(yīng)用的實(shí)例[9]，但投資要昂貴得多。

由于該罐控制液位較高，液位低會(huì)影響液下出料泵的運(yùn)行，液位計(jì)的重要用途是防止冒罐。因此，增大了液位計(jì)的測(cè)量起點(diǎn)，將物料控制在高位，沒(méi)有更換此雷達(dá)液位計(jì)。

2.2安裝不當(dāng)

雷達(dá)物位計(jì)以界面回波的能量強(qiáng)度為物位測(cè)量的基礎(chǔ)，安裝定位要求也由其發(fā)射能量的分布狀態(tài)決定，原則是使分界面反射更多的能量，并減少干擾反射的虛假回波。

非接觸雷達(dá)一般要求天線伸出安裝接管，否則要選用直的或彎曲的導(dǎo)波延長(zhǎng)管；天線軸線垂直物料界面，非接觸雷達(dá)測(cè)量固體料面一般使用瞄準(zhǔn)器；能量強(qiáng)處(發(fā)射椎體內(nèi)，尤其近天線部分)避免干擾；與容器壁保持適當(dāng)距離，防止粗糙器壁的直接反射與光滑器壁引發(fā)的多路反射；避免安裝在弧頂罐的正中心，否則，雷達(dá)波經(jīng)容器壁的多重反射后匯集，形成很強(qiáng)的干擾；有的雷達(dá)采用圓極化波等技術(shù)，可以只接收料面的直接反射，抑制干擾和多路反射的虛假回波。

導(dǎo)波雷達(dá)的安裝空間視探頭而定，同軸或平行探頭安裝要求較低，單探頭要與容器壁保持距離，特別是存在掛料時(shí)。避免接觸金屬容器的壁與底，偏離金屬容器的中心位置，與干擾源保持適當(dāng)距離，盡量遠(yuǎn)離加料口，消除柔性探頭擺動(dòng)。

非金屬容器允許雷達(dá)安裝在容器外，器壁厚度建議為微波在該材質(zhì)中傳播的半波長(zhǎng)(或半波長(zhǎng)的倍數(shù))，此時(shí)罐外的干擾也會(huì)影響雷達(dá)的工作。有的導(dǎo)波雷達(dá)要求絕緣材質(zhì)容器應(yīng)用金屬管板安裝，以提供可靠的基線反射脈沖。安裝不當(dāng)導(dǎo)致干擾虛假回波增強(qiáng)，甚至測(cè)量錯(cuò)誤。

某廠1000m3正丁烷球罐，操作壓力0.06～0.26MPa，溫度10～30℃，液相物料常溫下介電常數(shù)約1.7，氣相為氮?dú)馀c少量揮發(fā)丁烷。預(yù)制DN100管徑穩(wěn)液井，選用纜式探頭導(dǎo)波雷達(dá)Levelflex M FMP40-7AA3APJB21JA，纜繩長(zhǎng)度13m，末端重錘懸空未固定，由于是過(guò)程罐，忽略揮發(fā)氣相對(duì)電磁波速度的影響，不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。應(yīng)用初期出現(xiàn)了液位測(cè)量不穩(wěn)，偶爾突變的問(wèn)題。

經(jīng)檢查，纜繩沒(méi)有損傷或掛料，于是判斷液位測(cè)量小幅波動(dòng)的原因是纜繩的擺動(dòng)，測(cè)量值突變的原因是纜繩碰到了穩(wěn)液井內(nèi)壁。

于是將纜繩截短至12.5m，末端的重錘上加裝了Φ90mm中心開(kāi)孔的PTFE(DK=2.1)對(duì)中盤，問(wèn)題得到解決。

2.3天線掛料的影響

物料的揮發(fā)、噴濺，甚至液位控制不當(dāng)導(dǎo)致滿罐，都會(huì)給天線帶來(lái)影響。掛料會(huì)削弱雷達(dá)信號(hào)，程度與其分布和介電常數(shù)相關(guān)，可以忽視介電常數(shù)很小的干燥掛料的影響，介電常數(shù)大的物料外掛嚴(yán)重時(shí)會(huì)使測(cè)量信號(hào)丟失。

某廠圓柱形拱頂順丁烯二酸酐(簡(jiǎn)稱順酐)儲(chǔ)罐： 2個(gè)精酐罐、2個(gè)粗酐罐，操作溫度粗酐罐約70℃，精酐罐約60℃，4個(gè)儲(chǔ)罐大小相當(dāng)，高6m，直徑6m，氣相充氮?dú)獗Ｗo(hù)，微正壓。

液位測(cè)量最初采用了DN80的插入式雙法蘭液位計(jì)。下法蘭雖有蒸汽伴熱，但由于微量雜質(zhì)的存在(反應(yīng)副產(chǎn)物，馬來(lái)酸、溶劑等)，測(cè)量膜盒表面仍然結(jié)晶結(jié)膠，無(wú)法正常測(cè)量，維護(hù)工作量極大。于是試改用吹氣式液位計(jì)，由于順酐在吹氣管內(nèi)結(jié)晶附著影響測(cè)量精度，甚至無(wú)法測(cè)量，吹掃氮?dú)夤芫€增加伴熱，仍然無(wú)效。液位連續(xù)測(cè)量無(wú)效的情況下，工藝人員采取定時(shí)人工投尺的測(cè)量方法，揮發(fā)的酐氣具有腐蝕性，強(qiáng)烈刺激皮膚黏膜，雖有防護(hù)，仍苦不堪言。

查閱資料，常壓下順酐結(jié)晶點(diǎn)52.8℃，60℃的液態(tài)順酐相對(duì)介電常數(shù)約為50，20℃的固態(tài)順酐相對(duì)介電常數(shù)約為2.1，于是，選用了4臺(tái)Micropilot M FMR245-54CMK4C4A脈沖雷達(dá)物位計(jì)，兩線制測(cè)量回路供電，精度±3mm，一體化墊片法蘭天線，抗腐蝕結(jié)晶性強(qiáng)，易于清潔，80mm內(nèi)藏天線允許安裝接管最長(zhǎng)達(dá)500mm。投用后，效果理想，但發(fā)生了因天線結(jié)晶帶來(lái)的故障。

故障現(xiàn)象為液位指示大幅跳動(dòng)，也有可能穩(wěn)定在某一固定值(與表的安全設(shè)置有關(guān))，表自帶VU331操作模塊顯示信息“present error/no usable echo/channel 1/check calibr.E641”，E641為故障代碼，相應(yīng)的建議處理措施是檢查優(yōu)化安裝方式，清理天線。

此時(shí)檢查，會(huì)發(fā)現(xiàn)天線窗上有厚度約3mm白色順酐結(jié)晶粉末，長(zhǎng)度約200mm的安裝接管也布滿了疏松的針片狀順酐晶體，輕輕敲擊，即可除去結(jié)晶，儀表指示恢復(fù)正常。由于增加反吹裝置不便，儀表與安裝接管應(yīng)用了電伴熱，使得清理周期延長(zhǎng)至2個(gè)月。

2.4外界電磁干擾影響

雷達(dá)特別是脈沖雷達(dá)的發(fā)射功率小，容易受外界強(qiáng)電壓或強(qiáng)電流及變頻電機(jī)速度控制器的干擾，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)屏蔽處理及接地，減少干擾源[10]。

2.5電子虛假回波抑制的應(yīng)用

安裝時(shí)應(yīng)盡量避免干擾，無(wú)法避免時(shí)，可用折射板將過(guò)強(qiáng)的虛假反射信號(hào)折射掉，以減小虛假回波的能量密度，使傳感器較容易地將虛假信號(hào)濾出。

雷達(dá)波沿程可能會(huì)遇到干擾源、物位界面等對(duì)象，多路反射則會(huì)被認(rèn)定為對(duì)象在較遠(yuǎn)位置。主流雷達(dá)回波處理都有其獨(dú)到之處，通?？刹榭椿夭ㄇ€，回波曲線是對(duì)容器內(nèi)狀況的掃描映射反演繪圖，即微波在傳輸沿程反射回波的能量圖譜。盲區(qū)附近的波形狀況，真實(shí)回波、虛假回波以及雜散噪聲信號(hào)的分布、寬度、強(qiáng)度以及信噪比等有關(guān)測(cè)量性能的因素都可以通過(guò)回波曲線的形式全面反映出來(lái)，使用戶一目了然。

虛假回波的處理基于回波曲線，一般要預(yù)先記錄空罐的回波，如KROHNE的空罐頻譜檢測(cè)記錄功能。常見(jiàn)虛假回波處理方法有屏蔽干擾源、虛假干擾回波注冊(cè)消除、多次回波抑制、設(shè)置靜態(tài)或動(dòng)態(tài)回波增幅置信閾值門限等方法，動(dòng)態(tài)干擾的處理更困難些。

簡(jiǎn)單的屏蔽干擾會(huì)遮蔽干擾點(diǎn)附近的所有回波信號(hào)，給測(cè)量帶來(lái)盲區(qū)；設(shè)置增幅閾值，物位在穿越干擾區(qū)時(shí)，界面回波與干擾信號(hào)疊加，使回波的波峰位置(能量最強(qiáng)點(diǎn))發(fā)生偏移，誤差由此而生[5]；多次回波抑制可消除因多路反射造成的物位測(cè)量偏低的問(wèn)題；利用圓極化等技術(shù)，可以分離界面回波與干擾回波，實(shí)現(xiàn)無(wú)效干擾回波注冊(cè)，干擾回波注冊(cè)配合抑制會(huì)使液位跟蹤更可靠，可以很大程度上提高測(cè)量質(zhì)量[11]。

3　結(jié)束語(yǔ)

目前，雷達(dá)物位測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，雷達(dá)的生產(chǎn)廠家越來(lái)越多，價(jià)格大幅降低。本文參考了眾多廠家的技術(shù)樣本，用戶手冊(cè)及大量應(yīng)用實(shí)例，綜合來(lái)講，各主流品牌技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)又互相借鑒，國(guó)產(chǎn)雷達(dá)起步較晚，但提供了較高性價(jià)比的產(chǎn)品。

可以預(yù)見(jiàn)，雷達(dá)物位測(cè)量的應(yīng)用將進(jìn)一步普及，理想工況下盡顯其優(yōu)勢(shì)，在苛刻條件下的應(yīng)用會(huì)有更大的突破，將獲得越來(lái)越廣泛的重視。

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Application and Troubleshooting of Radar Level Gauge

Dong Helin， Wang Fei， Yang Hui

(CNOOC Fujian Zhangzhou Gas Co. Ltd.， Zhangzhou， 363122， China)

non-contacting；wave guided；antenna；probe；stilling well；electronic suppression of false echoes

董合林(1981—)，男，2004年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，主要從事自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的選型應(yīng)用研究，任工程師。

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1007-7324(2016)04-0050-07

稿件收到日期： 2016-03-15。