賈保峰

（拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆 拜城 842300）

改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)在槽體液位測(cè)量中的應(yīng)用

賈保峰

（拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆 拜城 842300）

雷達(dá)液位計(jì)在測(cè)量液位過程中有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于易揮發(fā)結(jié)晶介質(zhì)的液位測(cè)量卻存在不同程度的局限性。為增強(qiáng)雷達(dá)液位計(jì)的使用性能，通過對(duì)生產(chǎn)過程中使用的雷達(dá)液位計(jì)在對(duì)槽體液位測(cè)量中出現(xiàn)的一系列問題進(jìn)行深入分析，并結(jié)合雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種利用雷達(dá)液位計(jì)與導(dǎo)波管相結(jié)合的測(cè)量方法，為化工企業(yè)生產(chǎn)中雷達(dá)液位計(jì)的使用提供了參考。該改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝與維護(hù)，有效避免了槽體液位測(cè)量中液位波動(dòng)、測(cè)量介質(zhì)等因素的影響，使測(cè)量精度提高了10倍以上，抗干擾能力大大增強(qiáng)，確保了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。該改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)的創(chuàng)新性在于結(jié)合了導(dǎo)波管與雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，成功解決了雷達(dá)液位計(jì)在液位測(cè)量過程中的局限性。該研究成果解決了槽體液位測(cè)量過程中常見的問題，同時(shí)為石化、焦化、化工等行業(yè)生產(chǎn)過程中雷達(dá)液位計(jì)的使用方法提供了一些啟示。

雷達(dá)液位計(jì)；液位測(cè)量；導(dǎo)波管；浮球；連通器；電磁波

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，地下槽體通常被用于工業(yè)循環(huán)液的存儲(chǔ)，是整個(gè)生產(chǎn)過程中的重要輔助裝置。其內(nèi)部介質(zhì)的液面高度是整個(gè)工藝控制過程中一個(gè)重要工藝參數(shù)，所以實(shí)現(xiàn)地下槽體的液位精確測(cè)量對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重要的作用。但因?yàn)榈叵虏垠w內(nèi)部介質(zhì)會(huì)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量造成不同程度的影響，且一些液位測(cè)量結(jié)果與工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全儀表系統(tǒng)存在聯(lián)鎖關(guān)系［1］，所以如何排除各種影響液位精確測(cè)量的因素就成為了一項(xiàng)十分重要的研究課題。

1 背景介紹

工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)容器內(nèi)液體的物位測(cè)量的情況，人們運(yùn)用多種方法來進(jìn)行液位的測(cè)量，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和普通雷達(dá)液位計(jì)就是兩種常用的液位測(cè)量儀表。但由于環(huán)境和工況等因素的影響，導(dǎo)致兩者在液位測(cè)量過程中均存在很大的局限性。特別是在焦化行業(yè)中槽體等雜質(zhì)較多的環(huán)境，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)為接觸式測(cè)量，其導(dǎo)波桿會(huì)被粘上焦油等雜質(zhì)，從而影響液位計(jì)的正常測(cè)量。與之相比，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量的雷達(dá)液位計(jì)更顯優(yōu)勢(shì)，其不接觸被測(cè)量介質(zhì)，從而避免了上述情況的出現(xiàn)，但液面波動(dòng)也會(huì)影響普通雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度。采用非接觸式液位測(cè)量的方式還有超聲波液位計(jì)，但其信號(hào)的“拖尾”現(xiàn)象影響了絕對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響液位測(cè)量的精度［2］。

雷達(dá)液位計(jì)是一種采用微波測(cè)量技術(shù)的非接觸式液位測(cè)量儀表［3］，目前較為廣泛地應(yīng)用于地下槽體的液位測(cè)量。當(dāng)被測(cè)量液面平靜時(shí)，雷達(dá)波反射較好、測(cè)量精度高［4］。但實(shí)際應(yīng)用中，由于槽體內(nèi)液位環(huán)境較為復(fù)雜，設(shè)備受到漂浮物、結(jié)冰、液體流入和泵出時(shí)造成的液面波動(dòng)、雷達(dá)天線表面結(jié)晶等因素干擾，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)，這將直接導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映液位信息。

針對(duì)以上影響槽體液位測(cè)量的因素，對(duì)雷達(dá)液位計(jì)及其附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)，可有效避免以上干擾因素對(duì)液位測(cè)量結(jié)果的影響，保證雷達(dá)液位計(jì)的可靠運(yùn)行。多次試驗(yàn)表明，該方法穩(wěn)定、可靠，改進(jìn)后的測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的使用效果。

2 雷達(dá)液位計(jì)的組成及工作原理

2.1 組成概述

雷達(dá)液位計(jì)由天線系統(tǒng)、電子部件、微處理器組成。天線系統(tǒng)的作用是為了發(fā)射微波脈沖和接收反射回波，電子部件將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)，微處理器可以準(zhǔn)確分辨出物位回波去除虛假回波。普通雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］。

圖1 普通雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the normal radar level gauge

2.2 工作原理

雷達(dá)液位計(jì)的工作原理是通過天線向被測(cè)介質(zhì)物位發(fā)射電磁波，測(cè)出電磁波發(fā)射和反射回來的時(shí)間，從而計(jì)算出容器內(nèi)液位。雷達(dá)液位計(jì)的天線系統(tǒng)發(fā)射極窄的電磁波脈沖。這個(gè)脈沖以光速在空間內(nèi)傳播，遇到被測(cè)介質(zhì)表面，其部分能量被反射回來，被同一個(gè)天線系統(tǒng)接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔與天線系統(tǒng)到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。通過分析天線發(fā)射波與介質(zhì)液位反射波之間的時(shí)間差與微波波速之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)容器介質(zhì)液位的測(cè)量。由于電磁波的傳播速度極高，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔很?。╪s量級(jí)），因此很難確認(rèn)時(shí)間間隔大?。?］。目前，市場(chǎng)主流雷達(dá)液位計(jì)有兩類，一類是發(fā)射頻率固定不變的雷達(dá)液位計(jì)，另一類是等幅可調(diào)頻率雷達(dá)液位計(jì)［7］。

雷達(dá)液位計(jì)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：①無位移，無傳動(dòng)部件，非接觸式測(cè)量，不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制，適用于黏度大的介質(zhì)、有毒或無毒衛(wèi)生型介質(zhì)、有腐蝕性介質(zhì)的物位測(cè)量［7］；②雷達(dá)液位計(jì)沒有測(cè)量盲區(qū)，可實(shí)現(xiàn)很高的精確度（分辨率），液位測(cè)量誤差最高可達(dá)1mm（特殊情況下可達(dá)到0.1mm），故其可作為商用計(jì)量儀表［8］。

3 影響雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的因素

影響雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的因素主要有以下三個(gè)。

①環(huán)境溫度。

環(huán)境溫度會(huì)造成槽體內(nèi)易揮發(fā)的介質(zhì)結(jié)晶附著在雷達(dá)液位計(jì)的天線表面，從而嚴(yán)重影響天線系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射和接收，造成測(cè)量數(shù)值的波動(dòng)和假值。測(cè)量過程中介質(zhì)的不同溫差對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量偏差有著重要的影響［9］。

②蒸汽。

被測(cè)量槽體內(nèi)介質(zhì)上方會(huì)存在大量的蒸汽，由于罐體處于地下，罐壁氣溫較低，蒸汽會(huì)在豎直的罐壁上凝結(jié)成液體小水珠。如果冷凝后的液體水珠不能將罐壁完全潤濕，必然在罐壁上方產(chǎn)生很多小液滴。隨著蒸汽量的增加，小液滴匯集后因重力影響落入罐內(nèi)，并形成液滴形成、匯集、掉落的循環(huán)過程。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，罐壁上液滴越多，液位計(jì)顯示波動(dòng)越嚴(yán)重。由此說明罐壁上的液滴也是影響雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量結(jié)果的重要因素。分析可知，雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波遇到罐壁上的液滴后發(fā)生不規(guī)則的反射回波，雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)無法區(qū)分這些反射回波，從而引發(fā)液位測(cè)量故障。

③液體的湍動(dòng)和氣泡。

罐體內(nèi)液體的流入和泵出會(huì)造成罐內(nèi)介質(zhì)液面的湍動(dòng)和氣泡的產(chǎn)生。這不僅會(huì)造成電磁波的吸收和散射，還會(huì)造成電磁波的折射和反射，極大地衰減反射回天線的有效電磁波信號(hào)的強(qiáng)度，嚴(yán)重影響雷達(dá)液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量。

4 雷達(dá)液位計(jì)的改進(jìn)措施及應(yīng)用

4.1 測(cè)量結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

針對(duì)以上影響雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的因素，對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的整體測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the improved radar level gauge

改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)在普通雷達(dá)液位計(jì)的基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)波管和浮球。其中，導(dǎo)波管必須垂直于液面安裝；浮球處于導(dǎo)波管內(nèi)部，其直徑與導(dǎo)波管直徑相當(dāng)，材料視容器內(nèi)介質(zhì)密度而定，材料密度應(yīng)小于介質(zhì)密度，使其漂浮在介質(zhì)表面，且可以隨著液位的升高在浮力的影響下于導(dǎo)波管內(nèi)部上下移動(dòng)。導(dǎo)波管上部和下部均設(shè)一開孔，考慮到被測(cè)介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)堵塞導(dǎo)波管下部開孔位置，可根據(jù)實(shí)際，在不影響測(cè)量導(dǎo)波管結(jié)構(gòu)安全的情況下，增加下開孔處環(huán)導(dǎo)波管同一平面的開孔數(shù)量。導(dǎo)波管上開孔可使浮球上部與容器內(nèi)上部氣壓一致，保證導(dǎo)波管內(nèi)外液面相同。改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)天線發(fā)射的電磁波可以沿著導(dǎo)波管射向浮球，并接收浮球反射回的電磁波，從而通過計(jì)算浮球高度得到槽體內(nèi)介質(zhì)液面高度。

改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)安裝方便，可用于封閉式、半封閉式以及開放式容器的液位測(cè)量。導(dǎo)波管可以阻擋由于外界湍流和氣泡引起的內(nèi)部液面波動(dòng)，有效地降低了介質(zhì)液面波動(dòng)引起的測(cè)量誤差。通過加裝測(cè)量套管，減小了導(dǎo)波管內(nèi)介質(zhì)液面的揮發(fā)面積，有效降低了易結(jié)晶介質(zhì)揮發(fā)后引起的測(cè)量誤差。

通過運(yùn)行液位補(bǔ)償算法，可使液位測(cè)量結(jié)果更趨穩(wěn)定和精確［10］。

4.2 測(cè)量結(jié)構(gòu)安裝要點(diǎn)

改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)在安裝時(shí)，要與罐壁保持一定的距離，并盡量避開加熱管和攪拌機(jī)構(gòu)，這樣才能有效避免其對(duì)改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)的干擾，確保改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)出液位。改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)的天線使用錐體天線最佳。錐體天線沒有防護(hù)罩，可以有效防止被測(cè)介質(zhì)因溫度而出現(xiàn)天線表面結(jié)晶現(xiàn)象，從而給測(cè)量帶來不必要的影響。

導(dǎo)波管在安裝時(shí)一定要垂直于被測(cè)液面。電磁波的時(shí)間行程變化與導(dǎo)波管的直徑及其內(nèi)部的平整程度有很大關(guān)系。如果導(dǎo)波管內(nèi)部不平整，會(huì)造成電磁波的回程時(shí)間增加且強(qiáng)度減弱，從而不能得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

4.3 設(shè)備應(yīng)用

改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)被用于罐體及地下槽體液位的測(cè)量，精度提高到0.1 mm，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。重要的是，該設(shè)計(jì)有效排除了外界測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量過程的影響，維護(hù)量小，極大地節(jié)約了人工和材料成本，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。穩(wěn)定、精確的測(cè)量結(jié)果為安全生產(chǎn)提供了有效的保障。

5 結(jié)束語

針對(duì)雷達(dá)液位計(jì)在實(shí)際使用過程中遇到蒸汽量大、液面擾動(dòng)、揮發(fā)介質(zhì)結(jié)晶等直接影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的狀況，通過在傳統(tǒng)的容器液位測(cè)量裝置上加裝一種內(nèi)含浮球的導(dǎo)波管裝置，有效地減小了雷達(dá)液位計(jì)天線處由于蒸汽凝結(jié)、介質(zhì)結(jié)晶、罐內(nèi)介質(zhì)液面波動(dòng)引起的液位測(cè)量誤差。這樣就保證了液位測(cè)量精度，有效地排除了環(huán)境和介質(zhì)屬性等因素對(duì)改進(jìn)型雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量過程的影響。

化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，容器液位的測(cè)量受到多方面的影響。如果不能精確地測(cè)量出容器的液位變化情況，極易發(fā)生不可挽回的安全事故，造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。針對(duì)改進(jìn)后的測(cè)量裝置的安裝、使用、維護(hù)和故障處理，提出以下幾點(diǎn)建議。①應(yīng)針對(duì)被測(cè)量介質(zhì)的屬性、測(cè)量環(huán)境和容器結(jié)構(gòu)等狀況，進(jìn)行雷達(dá)液位計(jì)合理的選型工作。②必須嚴(yán)格控制雷達(dá)液位計(jì)工作環(huán)境的溫度穩(wěn)定，使其在滿足生產(chǎn)工藝條件下維持一個(gè)相對(duì)不利于被測(cè)介質(zhì)揮發(fā)的溫度區(qū)間，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。③應(yīng)根據(jù)電磁波特性，保持波速一定，降低雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的電磁波頻率，可有效增大電磁波的波長。大波長電磁波遇到液滴可發(fā)生衍射，降低因液滴發(fā)生電磁波反射的頻率，避免了其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。④必須建立雷達(dá)液位計(jì)臺(tái)賬，完善每臺(tái)檢測(cè)儀器的信息，掌握其動(dòng)態(tài)測(cè)量信息，加強(qiáng)巡檢力度，定期對(duì)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行維護(hù)。

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Application of the Improved Radar Level Gauge in Level Measurement of Liquid Tanks

JIA Baofeng
（Baicheng County Zhongtai Coal Coking Co.，Ltd.，Baicheng 842300，China）

The radar level gauge has many advantages in level measurement，but there are varying degrees of limitations to the volatile crystalline media.In order to enhance the extensiveness of the performance of radar level gauge，a series of problems existing in level measurement of liquid tanks are analyzed；based on the measuring principle and structural characteristics of radar liquid gauge，the measurement method combining radar level gauge and waveguide is proposed as a reference for the usage of the radar liquid gauge in chemical industries.The improved radar level gauge is simple in structure，and easy to install and maintain，which effectively avoids the interferences of level fluctuation in liquid tank and the measured media，the measurement precision can be improved by more than ten times，and the anti-interference capability is greatly improved，thus the stability and accuracy of the measurement results are ensured.The innovation of the improved radar level gauge lies on combining the advantages of the waveguide and the radar level gauge，and solving the limitations of level measurement using radar level gauge.The results of the study resolve the common problems in measuring the tank level，and provide some inspiration about using radar level gauges in petrochemical，coking and other industries.

Radar liquid gauge；Liquid level measurement；Waveguide；Floating ball；Connector；Electromagnetic wave

TH86；TP216

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711015

修改稿收到日期：2017-06-10

賈保峰（1986—），男，碩士，工程師，主要從事工業(yè)儀表自動(dòng)化控制工程的開發(fā)與研究工作。E-mail：baofeng66@163.com。