雷达液位计的测量原理、特点与应用

雷达液位计的测量原理、特点与应用
摘要：雷达液位计是一种非接触式无可动部件、真正免维护的液位测量仪表。

该仪表经过多年的应用及技术改进，目前广泛应用于石化行业，并得到了用户的认可。

本文简要介绍了雷达液位计的2种不同的测量原理，根据其特点与优点，指出了适合应用的场合及安装要求。

关键词：雷达液位计脉冲微波调频连续波应用
雷达液位计是20世纪60年代中期国外开始生产使用的新技术产品。

它是一种采用微波测量技术、非接触式的液位测量仪表。

在初期，它主要用于海船油槽液位测量。

它克服了以前使用机械式接触型液位仪表的诸多缺点，比如清洗的困难和维修的不便等。

随后，雷达液位计被用于在岸上储罐液位的测量以及炼油装置中液位的测量。

随着石油化工行业的不断发展，雷达液位计的应用范围日益广泛，特别是高精度的特点得到了国际计量机构的认证，满足贸易交接的物料计量要求[1]。

一、雷达液位计的测量原理与特点
雷达液位计是利用超高频电磁波经天线向被测容器的液面发射，当电磁波到达液面后反射回来，被同一天线接收并检测出发射波及回波的时差，从而计算出液面高度[2]。

雷达液位计有2种工作模式，分别对应两种测量原理。

1.脉冲微波方式(PTOF)
这种方式是一种“俯视式”时间行程测量系统，测量系统经过天线以固定的带宽周期地发射某一固定频率的微波脉冲，在被测物料表而产生反射后由雷达系统所接收。

天线接收反射的微波脉冲并将其传给电子线路，微处理器对此信号进行处理，识别出微波脉冲在物料表而所产生的回波，并据此计算液位(如图1所不)，将被测液位距离成正比关系的时间再转换为电信号。

2.调频连续波方式(FMCW)
这种方式的雷达液位计的微波源是x波段的旅控振荡器，天线发射的微波是频率被线形调制的连续波，当回波被天线接收到时，微波发射频率已经改变。

发射波与回波的频率差正比于天线到液面的距离，以此计算出液位高度。

二、PTOF法与FMCW法的比较
对于PTOF方法，脉冲的时间行程可以直接返回到不受温度影响的石英振荡器。

对于FMCW方法，必须采用昂贵的振荡器温度稳定装置，或安装内部的参
考源，通常需要不断地进行校准。

采用PTOF方法测量的雷达仅在很少的工作时间内向振荡系统供电，采用FMCW方法的雷达液位计在整个工作过程期间，约有一半的时间需向振荡系统供电。

PTOF法的雷达液位计制造成本相对较低，FMCW法的雷达液位计制造成本相对较高。

从雷达液位计的制造商来看，德国的Endress + Hauler公司和VECA等公司制造的雷达液位计采用的是高精度的微波脉冲测量原理。

瑞典的SAAB公司和荷兰的ENRAF公司生产的雷达液位计采用的是调频连续波测量原理。

关于用哪种方法可以得到更高的精度在雷达液位计制造商中一直存在着争论。

事实上，目前根据两种测量原理制造的雷达液位计均可在相当宽的温度范围内保证1 mm甚至更高的精度。

各雷达液位计制造商在产品类型方面均可提供工业控制级雷达和贸易计量级雷达。

三、雷达液位计的特点
1.雷达液位计主要由电子控制单元和天线构成，无可动部件，不存在机械磨损，与机械部件的液位测量仪表相比使用寿命较长。

真正免维护。

2.雷达液位计能用于大部分液位的液位测量，其发出的微波能穿过真空，不需要传输媒介，受大气、蒸汽、罐内挥发雾的影响小。

3.采用非接触式测量，不受罐内液位密度、浓度等物理特性影响。

测量范围大、抗腐蚀能力强。

4.安装方便、故障率低、维护容易、精度高、可靠性高等优点。

5.采用数字与模拟两种输出方式，可以单台或多台按总线式配置，能方便地与上位监控计算机相连接。

6.仪表辐射率低，对周围环境及人员基本上没有伤害。

四、雷达液位计的选型与应用
雷达液位计的种类繁多，选型时一首先要考虑被测介质的温度、压力、密度、粘度及腐蚀性等特性对其使用性能的影响。

因此，在选型时一要针对介质在特定工况下的特性来选取适宜的天线和表头。

对于体积较小、形状复杂的罐体或需测量多种液体分界面的应用场合，推荐采用导波缆天线雷达液位计；对测量环境较复杂的罐体，如介质易挥发、腐蚀及高压和高温等，推荐使用非接触天线雷达液位计，由于液位计与介质不接触，就能避免由于介质的物理和化学性质影响其计
量精度或对液位计本身的损伤。

依据介质测量的目的选择不同测量精度的雷达液位计。

如果仅用于内部成本核算，精度要求不需要太高;如果用于贸易交接，就必须选择高精度的雷达液位计。

为节约投资，在计量精度满足需求的前提下可选用性价比高的产品。

由于雷达液位计的精度、日常维护和使用寿命直接影响企业的生产效率和经济效益，所以过硬的质量和满意的售后服务对用户来说至关重要。

选型原则主要从以下几方面考虑，具体遵循相应的仪表选型规范:
(1)仪表性能；
(2)介质特性；
(3)安装条件；
(4)环境条件；
(5)经济因素。

雷达液位计由电子控制单元和天线组成，雷达液位计的精度在实际应用中与理论环境下略有差异。

主要原因是罐体及其内部的障碍物对微波的干扰决定了所能得到的精度。

主要因素有:
(1)仪表内部及天线连接处的阻抗跃变；
(2)罐内的障碍物的干扰反射；
(3)由罐壁、罐顶、及罐底引起的多次反射；
(4)液位表面的波纹造成的反射干扰。

此外，液位介质特性对测量范围有一定影响，介电常数较小的液体，对雷达液位计的测量距离影响大，使测量范围缩小;介电常数较大的液体，对雷达液位计的测量距离影响小，使测量范围增大。

随着石油化工行业的不断发展，雷达液位计也在不断的改进。

为了适应各种使用环境的特殊要求，各型雷达液位计都实行了系列化设计。

根据不同的测量精度要求，可以选用工业控制级雷达液位计或者贸易计量级雷达液位计。

根据雷达液位计的特点，则可以得出雷达液位计适合应用于安装使用方便、工作环境恶劣、一般机械仪表难以适用、精度要求高的场所的结论。

其适用范围包括以下场合：
(1)雷达液位计可用于易燃、易爆、强腐蚀性等介质的液位测量，特别适用于大型立罐和球罐等测量。

(2)雷达液位计适用于从真空到几兆帕的压力，从零下到200℃的过程温度到采用高温天线时可达400℃。

(3)仪表的精度分为工业测量级和计量级精度，可满足不同测量要求和计量的要求。

(4)采用不同的安装方式来满足球罐、拱顶罐、内浮顶罐和外浮顶罐的测量要求。

各种型号的雷达液位计的性能各有特色，应根据使用要求、被测介质的温度、压力、腐蚀特性和使用空间尺寸等具体工况来分析确定适合选用的型号。

如配备不同的天线可以满足各种测量要求，最常用的锥体天线可用于安装在缓冲罐和储罐的罐顶或其导波管上，适用大测量范围的测量场所，而抛物面天线适用于液相与固相料位的测量场所，并可用于极长距离的测量，小的喇叭天线则适用于小型容器，平面天线则适用于多种工况。

另外，由于雷达液位计是采用测空高的方法来得到液位高度的，就是说测量自罐顶测量参考点到液面的距离。

用参照高度(计量零点至参照点到液面的距离)减去空高可以得到罐内液位高度的实际值。

储罐内液体静压力、温度的改变都会引起参照高度的随机变化，导致测量误差。

所以在实际使用需要精确计量的场合，雷达液位计与多点温度计以及压力变送器共同组成大罐液位计量系统。

五、雷达液位计的安装
按照石油化工仪表安装设计规范(SH/T 3104一2000)的6. 0. 7 ,对于超声波及微波(雷达)液(料)位计的安装要求如下:
(1)测量液位的场合，宜垂直向下检测安装；
(2)测量料位的场合，微波的波束宜指向料仓底部的出料口；
(3)微波的波束中心距容器壁的距离应大于由束射角、测量范围计算出来的最低液(料)位处的波束半径；
(4)微波的波束途径应避开容器进料流束的喷射范围;
(5)微波的波束途径应避开搅拌器及其它障碍物。

微波液(料)位计的安装，还应符合制造厂的要求。

此外，浮顶式罐体和具有观测管的球型罐体，通常使用导波管，主要是为了消除有可能因容器形状而学致多重回波产生的干扰影响，或是在测量相对介电常数较小的介质时用来提高反射回波能量。

安装时应使液位计位于导波管中心，导波管的焊缝应处理成光滑无毛刺，并且清除铁锈或杂质，以确保测量精度。

六、结语
液位测量仪表种类繁多，每种测量方式均有其特点和针对性。

雷达液位计在液位测量中可以满足一定的测量要求，其工作性能稳定可靠，操作方便安全，抗干扰能力强，可测介质多，可以达到较高的测量精度，所以雷达液位计必然会以其特点和优势在石化行业中得到广泛的应用。

但雷达液位计同样具有其局限性，如过高的价格，对介质的相对介电常数有一定要求等。

因此在选用时，应按照实际应用场合的需求、工程项目特点、设计条件和费用等方面来综合考虑，保证经济适用、安全可靠。

参考文献
[1]姬晓波，涂亚庆，任开春，张海涛.雷达液位计测量原理的分析及应
用探讨[J].石油化工自动化，2005 (1) : 68-70.
[2]陆德民，张振基，黄步余. 石油化工自动控制设计手册（第三版）
[M]. 北京：化学工业出版，2001：140-143.。