雷达液位计原理及应用

雷达液位计原理及应用
作者：张倍
来源：《科技视界》2013年第07期
【摘要】本文讲述了雷达液位计的测量原理和特性，以及它在选型和安装时的注意事项，讨论了其常见故障的排查及处理。

【关键词】雷达液位计；测量原理；常见故障
雷达液位计是一种采用微波测量技术的物位测量仪表。

它能够非接触测量，耐磨损、耐老化性能高，不受压力、真空或温度的影响。

因此它在易燃、易爆、强腐蚀性、高温、粘稠等恶劣的测量条件下，性能卓越，特别适用于大型立罐和球罐等的测量。

由于其特有的优势，雷达液位计被广泛用于多种测量领域。

雷达液位计已在我公司某冶炼厂得到广泛应用，尤其在被测介质有强腐蚀性的硫酸、贵金属等车间，雷达液位计表现卓越，其维护简单，测量稳定、精确。

我公司新建冶炼厂技改采用先进的工艺，其过程控制仪表及其他测量仪表的需求大大增加，雷达液位计以其优越的性能必将得到广泛的应用。

本文对雷达液位计的原理和应用做了简单的描述，以期对将来的应用提供帮助。

1 雷达液位计工作原理和特点
1.1 雷达液位计原理
雷达液位计采用高频振荡器作为微波发生器，发生器产生微波通过天线向下射出。

当微波遇到障碍物时有部分反射回来。

根据发射波和反射波之间的时差（即微波脉冲行程），来计算物料面的距离。

目前有两大类雷达液位计，一类是脉冲波方式雷达液位计（如图1）。

其中，雷达液位计与物料表面的距离H与天线发射的微波脉冲的时间行程t成正比：
H=ct/2 （1）
式中，c——光速
物位L=F-H （2）
图1 脉冲雷达液位计的工作原理
注释：F——空罐距离；D——满罐距离
通过输入空罐距离F（零点），满罐距离D（满量程），及一些应用参数设定，可以得到4～20mA的模拟输出，或者0～100%的数字输出。

另一类是调频连续波方式雷达液位计。

这种液位计的发射频率不是一个固定频率，而是一个等幅可调频率。

通过测量发射波和反射波之间的频率差，可将频率差转换为与被测液位成比例关系的电信号。

发射频率随时间线性增加，增益为s，当发射出去的连续波遇液面反射时，反射回来的信号频率比发射信号滞后了Δt。

反射信号与发射信号之间的频率差为
Δf=sΔt （3）
将式（1）式（2）与式（3）合并可得到
物位L=F-cΔf/2s
脉冲波方式测量线路简单，因此当液位量程较低时精度较高，当液位量程较高时，精度相应降低。

调频连续波方式测量精确度较高，同时干扰回波也较易去除，一般用于较高端的场合，可作为计量级仪表使用。

1.2 雷达液位计的特点
1.2.1 无位移、非接触式测量，不受温度、压力和气体的影响，过程压力可达40bar，介质温度可达300℃。

尤其适用于盛有易燃、易爆、强腐蚀性等介质的容器液位测量
1.2.2 无测量盲区，精度高，分辨率可达1mm。

可满足计量仪表。

1.2.3 无需维修且可靠性强。

雷达波不受干扰，雷达液位计的各部件均不能拆开而且没有机械磨损，所以雷达液位计可应用于各种场所，如真空测量，液位测量，料位测量。

1.2.4 雷达液位计可以测量所有介电常数大于1.5的介质。

反射功率取决于介质的介电常数，介质的导电性越好或介电常数越大，回波信号的反射效果越好。

1.2.5 供电和输出信号通过一根两芯线缆（回路电路），采用4-20mA输出或数字信号输出。

2 雷达液位计的选型及安装
2.1 雷达液位计的选型
雷达液位计由电子部件、波导连接器、安装法兰及天线组成。

其中天线的外形决定微薄的聚焦和灵敏度。

因此天线的选择尤为重要。

2.1.1 喇叭口天线
喇叭口天线适用于绝大多数场合，具有聚焦性好，物理及化学特性稳定、耐用牢固等优点。

但不适用于腐蚀性介质的测量。

2.1.2 杆式天线
杆式天线化学稳定性好，易于清洗且对冷凝水的粘附不敏感。

适用于腐蚀性介质。

2.1.3 法兰下置型天线
法兰下置型天线主要用于强腐蚀性介质的测量。

2.1.4 抛物面天线
抛物面天线聚焦性好，不受加热蒸汽的影响，特别适用于带加热蒸汽的大型容器的罐内测量，如渣油、沥青等的测量，测量范围可达40m。

2.1.5 安装导波管或旁通管的天线
给天线安装套管，套管相当于传达雷达信号的导线，适用于介质表面波动大或介电常数小的场合。

2.2 测量范围选择
被测液体介质的物理特性对测量范围影响较大。

通常将液体分为A、B、C、D四类。

A类：非导电液体，介电常数小于1.4，对测量距离影响大，测量范围小。

如丙烷等。

B类：非导电液体，介电常数约为1.9～4，对测量距离影响较大，测量范围中等。

如汽油、石油等。

C类：介电常数约为4～10，对测量距离影响较小，测量范围大。

如浓缩的酸、有机溶剂醋、乙醇、丙酮、油水混合物等。

D类：导电液体，介电常数>10，对测量距离影响小，测量范围最大。

如水溶液、稀释的酸碱等。

当储罐液体表面平稳时。

A类液体的测量范围选择5m，对B类液体测量范围为10m，C 类液体15m，D类液体可以达到20m。

当液面有波动时，其相应的测量范围应当适当减少。

2.3 雷达液位计的安装及注意事项
雷达液位计的测量原理决定了其不宜用于液面扰动大的场合，所以安装时应避开干扰源，尽量减少误差。

2.3.1 安装位置要偏离中心。

如果安装在中央，会产生多重虚假回波，干扰回波会导致信号丢失。

2.3.2 罐内安装距离。

由罐内壁到安装短管的外壁应大于罐直径的1/6，最小距离为
200mm。

2.3.3 安装应避开进料口等干扰源。

2.3.4 在雷达天线的下方，信号波束内，应避免安装任何装置。

2.3.5 如果测量带有搅拌器的容器液位时，安装位置应尽量避开搅拌器，不要使反射面处于搅拌器叶片附近，消除漩涡及搅拌叶片对信号的干扰。

2.3.6 安装接管的长度应使天线喇叭口伸入罐内一定距离，以减少由于安装接管和设备间焊缝所造成的发射能量损失。

2.3.7 当液位计在导波管或旁通管中安装时，导波管或旁通管的内部必须光滑无毛刺。

2.3.8 雷达液位计一般安装在灌顶，如需侧向安装，可以使用45°或90°的延伸弯管。

调整喇叭天线使之与液面垂直。

2.3.9 不得损坏天线涂层
3 雷达液位计常见故障排查及处理
3.1 仪表工作故障
3.1.1 仪表不工作
首先应检查仪表电源，电压是否正常，极性是否接反。

然后检查接线端子是否接好，如需要可以将端子重新连接。

3.1.2 显示值不可见
检查对比度是否设置正确。

检查显示模块是否连接正确。

检查输出电流，如电流正常则显示模块故障，需更换。

如电流异常则电子模块故障，需更换。

3.1.3 HART通讯不工作
检查HART连接是否正常，手操器是否可用，手操器操作是否正确
3.2 测量值存在误差
故障表现为实际液位和测量值的变化趋势一致，但数值不相等。

此问题较为常见，可用绳测法测量真实的上空距离（图1距离H），如果与仪表显示上空距离一致，证明仪表本身品质正常。

重新设定零点和满量程，根据公式（2），L=F-H，零点F如果设定有误，则会造成实际液位偏差。

因此在标定前需要实地测量真实数据。

如果仪表接入计算机系统，还应检查仪表参数与组态数据是否一致。

3.3 测量值失真
3.3.1 液位变化而测量值恒为常数
这种情况较为常见，通常是由于天线结疤，或冷凝附着物。

天线上厚而湿的附着物会对微波产生强烈的反射，使仪表显示在一个恒定的高液位。

应仔细清洗天线及天线附近的附着物。

3.3.2 测量值波动
在容器内液位出现波动，如进料或搅拌等产生的临时性干扰会使测量值波动。

除了改善应用参数外，还应当检查仪表安装位置是否合适，或者更换其他规格的天线。

3.4 失波
故障现象为“失波”错误或死机。

如果被测液体介电常数较低，反射能力弱，会出现失波现象。

或者由于漩涡、泡沫等对微波的扩散或吸收，使得回波微弱而失波。

可以考虑改善应用参数，更换安装位置，以及更换更大规格的天线等方式。

4 总结
雷达液位计是目前适用范围广、测量准确、维护方便的一种液位测量仪表。

随着价格的降低，功能的增强，应用也会越来越广泛。

但雷达液位计同样有其局限性，如不能耐高温、高压，对介质的介电常数有一定要求等。

因此在选用时应根据实际工业情况、费用等综合考虑，做到先进适用、经济合理、安全可靠。

这样才能真正的发挥雷达液位计可靠、精确的特点，为生产过程控制提供精准的依据。

【参考文献】
[1]董树义.微波测量技术[M].北京理工大学出版社，1990.
[2]浅谈雷达液面计的设计和应用[J].炼油化工自动化，1996，1.
[3]许宁.雷达液位计设计中应注意的问题[J].仪表与自动化，1999，4.
[4]张明智，张锡洲.雷达液位计的应用[J].工业计量，2003（增刊）. [责任编辑：杨扬]。