油品罐區是石油化工企業(yè)中重要的儲運設施，準確地計量油品罐區的庫存對于石化企業(yè)的生產(chǎn)、銷(xiāo)售有著(zhù)非常重要的指導作用，作為油品罐區計量中的關(guān)鍵儀表，罐區液位計的精que度、安全性及穩定性直接影響著(zhù)石化企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。早在20世紀80年代中期，源自軍事工業(yè)的雷達測量技術(shù)被應用于工業(yè)自動(dòng)化測量領(lǐng)域，使得現代罐區計量技術(shù)有了一個(gè)根本性的飛躍，解決了油品罐區測量系統在部分工況長(cháng)期以來(lái)無(wú)法精que計量的難題，雷達物位計以其優(yōu)越的性能成為罐區液位測量?jì)x表的shou要選擇。結合工程設計項目實(shí)例，從原理、特點(diǎn)、選型等多個(gè)方面對雷達液位計在油品罐區計量方面的應用進(jìn)行了細致的研究與總結，為今后更加合理地使用雷達液位計進(jìn)行液位測量提供參考。

1 雷達液位計的工作原理

        雷達液位計采用高頻振蕩器作為雷達波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的雷達波通過(guò)導波管引到雷達天線(xiàn)，然后向外傳播。當雷達波到達檢測液面時(shí)，有一部分被吸收，另一部分被反射回雷達天線(xiàn)接收，通過(guò)建立發(fā)射波與反射波的函數關(guān)系來(lái)實(shí)現液位測量 [1] �；�于兩種不同的測量原理，雷達液位計主要分為時(shí)域脈沖雷達液位計和調頻連續波（FMCW）雷達液位計兩類(lèi)。

 

時(shí)域脈沖雷達液位計基于雷達波的時(shí)域反射性（TDR）原理，通過(guò)測量單脈沖電磁波的傳輸時(shí)間進(jìn)行液位測量 [2] ，其精度主要依賴(lài)于對時(shí)間的精que測量。由于雷達波信號以光速傳播，而測量?jì)�罐液位時(shí)雷達波在儲罐內的傳播距離較短，所以較難保證準確地測量。

 

調頻連續波雷達液位計利用同步調頻脈沖技術(shù)，微波發(fā)射和接收器安裝在罐頂，向液體表面發(fā)射頻率經(jīng)過(guò)線(xiàn)性調制了的微波信號。當微波信號向下傳播到液體表面后被反射回接收器時(shí)，由于時(shí)間延遲，發(fā)射信號的頻率已發(fā)生了改變，通過(guò)得到反射波與發(fā)射波的頻率差，推算出雷達波通過(guò)的距離 [3] 。

 

    同樣是利用雷達波的傳播特性進(jìn)行液位測量，時(shí)域脈沖雷達液位計基于時(shí)間測量，而時(shí)間是一種連續的模擬量，在物理學(xué)上定義它只能被無(wú)限近似切割，所以時(shí)域脈沖法是一種模擬技術(shù)，它只能提供較低的測量精度，其優(yōu)勢在于制造成本相對較低；調頻連續波雷達液位計基于頻率測量，而頻率是一種完全的數字量，能夠被準確切割和度量，所以調頻連續波法是一種數字化技術(shù)，能提供良好的測量精度和穩定的輸出信號。

 

2 雷達液位計的選型

2.1 雷達液位計天線(xiàn)型式

    天線(xiàn)是雷達液位計測量液位的重要部件，雷達液位計選型主要在于選擇合適的天線(xiàn)型式。常用的非接觸式雷達液位計天線(xiàn)型式主要有以下3種：喇叭口天線(xiàn)、拋物面天線(xiàn)和平面天線(xiàn)，外形結構如圖1所示。

    喇叭口天線(xiàn)采用點(diǎn)源發(fā)射方式，雷達波為發(fā)散的球面波，主要用于不需要設置導波管的拱頂罐的液位測量。由于整個(gè)喇叭口天線(xiàn)處于儲罐中，并且有幾乎與罐環(huán)境相同的溫度，所以可以防止在天線(xiàn)內發(fā)生冷凝。

    拋物面天線(xiàn)同樣采用點(diǎn)源發(fā)射方式，雷達波為發(fā)散的球面波，允許近罐壁安裝。通常用于拱頂罐，介質(zhì)主要為蠟油、渣油、瀝青等粘稠及易冷凝的高溫油品，儲罐底部都設有加熱蒸汽盤(pán)管。由于罐內高溫（200℃左右）產(chǎn)生蒸汽使得在雷達天線(xiàn)部位極易形成凝結水和出現掛料現象，影響雷達液位計的準確測量，而拋物面天線(xiàn)雷達液位計的滴水型設計有效地防止了冷凝和掛料現象的出現。而且，拋物面天線(xiàn)波束窄，使雷達波能量更集中，聚焦性好，能夠保證較高的測量精度 [4] 。

 

    平面天線(xiàn)技術(shù)（又叫陣列天線(xiàn)技術(shù)）采用多源發(fā)射方式，與單點(diǎn)發(fā)射源相比，由于其測量基于一個(gè)平面，而不是一個(gè)確定的點(diǎn)，因而發(fā)射出的雷達波為平面螺旋波。主要用于安裝有導波管的內（外）浮頂罐的液位測量。平面天線(xiàn)發(fā)射的雷達波具有波束窄、能量集中的特點(diǎn)，所以與導波管管壁接觸部分能量很小，受導波管內壁粗糙程度的影響也很小，對于油品掛壁對測量的影響小。

 

2.2 介電常數對雷達物位計選型的影響

    雷達波到達液位表面被反射時(shí)，雷達波會(huì )被吸收而發(fā)生衰減，當衰減過(guò)多時(shí)，雷達液位計接收不到足夠的信號，導致測量不準確，這就是被測介質(zhì)的介電常數對雷達液位計的測量所產(chǎn)生的影響 [5] 。

    各種油品介質(zhì)的介電常數如表1所示。為了克服介電常數的影響，提高反射波能量，對于使用內（外）浮頂罐的介質(zhì)，對于汽油、煤油等相對介電常數較小的介質(zhì)必須使用導波管。而對于液化氣球罐的液位測量，一方面液化氣的介電常數較低，對雷達波的反射能力很弱；另一方面液化氣氣相組分會(huì )吸收部分雷達波造成信號衰減嚴重，影響雷達液位計的準確測量。因此，通常選用另一種測量精度較高的接觸式儀表——伺服液位計，此處不作詳述。

3 雷達物位計的現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式

3.1 現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式

    雷達液位計提供疊加了HART的4mA～20mA輸出信號，同時(shí)也提供數字式現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式。在油品罐區計量系統中，罐區計量信號通過(guò)雷達液位計的現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸到控制系統�，F場(chǎng)總線(xiàn)能夠同時(shí)傳輸多個(gè)過(guò)程參數，大大地簡(jiǎn)化了連接線(xiàn)路，降低了成本。而且在傳輸過(guò)程的同時(shí)，儀表的標識符和簡(jiǎn)單的診斷信息也可一并傳送�，F場(chǎng)總線(xiàn)是雙向的，因此能夠在控制室對現場(chǎng)智能儀表進(jìn)行標定、調整及運行診斷，甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預測。

3.2 單個(gè)油品儲罐計量系統的構成

    基于雷達液位計的數字信號處理功能及數字式現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸的特點(diǎn)，雷達液位計在油品罐區計量中主要發(fā)揮了兩個(gè)作用：一是測量?jì)�罐內介質(zhì)的液位，二是接收被測介質(zhì)的溫度、密度、壓力等遠傳信號，利用現場(chǎng)總線(xiàn)與控制系統進(jìn)行通訊，將所有信號一起傳輸到控制室，實(shí)現對油品儲罐的計量。單個(gè)油品儲罐計量系統構成如圖2所示。

3.3 油品罐區雷達料位計的通訊系統

    某品牌雷達料位計的通訊系統結構如圖3所示�，F場(chǎng)通訊單元（FCU）作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)或數據收集器，在上位機和現場(chǎng)儀表之間起連接作用，罐區中各儲罐的雷達料位計依靠TRL/2現場(chǎng)總線(xiàn)與FCU進(jìn)行數據傳輸，FCU和上位機之間通過(guò)RS-485總線(xiàn)進(jìn)行通訊，完成將罐區儀表信號傳輸到上位機的任務(wù) [5] 。

4 工程應用實(shí)例

4.1 液位儀表選型

    某項目共有4個(gè)油品罐區，分別為原油罐區、汽油罐區、油漿及堿渣罐區以及液態(tài)烴罐區。根據各罐區介質(zhì)的特性及儲罐類(lèi)型，配備合適的液位測量?jì)x表，如表2所示。其中，T——溫度；L——液位；ρ——密度；P——壓力。

    根據雷達液位計的選型原則，對于易產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，使用浮頂罐儲存的汽油和原油（汽油為內浮頂罐、原油為外浮頂罐），選用平面天線(xiàn)雷達液位計，安裝導波管�？梢杂行У乜朔�介質(zhì)由于介電常數小而對雷達波反射能力相對弱的缺點(diǎn)，確保測量準確。

    油漿、堿渣等介質(zhì)由于比較粘稠且易冷凝，通常儲存在帶有加熱蒸汽盤(pán)管的拱頂罐中。因此，選用不受加熱蒸汽影響又聚焦性好的拋物面天線(xiàn)雷達液位計。

    液態(tài)烴罐區選用伺服液位計。

 

4.2 雷達液位計通訊系統

    利用雷達液位計基于現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸的特點(diǎn)，為油品罐區構建起一個(gè)液位測量系統。雷達液位計通訊系統構成如圖4所示。采用雷達液位計進(jìn)行液位測量的3個(gè)罐區通過(guò)3條現場(chǎng)總線(xiàn)與安裝在控制室內的雷達通訊單元通訊，再由雷達通訊單元通過(guò)RS-485總線(xiàn)與控制系統進(jìn)行通訊，傳輸各儲罐液位的同時(shí)，還將溫度、壓力、密度等檢測信號通過(guò)雷達液位計準確無(wú)誤地傳輸到控制系統中進(jìn)行集中監測，實(shí)現了整個(gè)油品罐區的計量。

    雷達液位計現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式在工程實(shí)施中主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    1）采用現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，解決了分布式油品儲罐的集中檢測問(wèn)題，便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化管理，使系統更加實(shí)用、穩定和可靠。

    2）數字傳輸方式，可以同時(shí)傳輸多個(gè)過(guò)程變量，極大地簡(jiǎn)化了信號連接線(xiàn)路，節省了大量的電纜、保護套管、槽盒、橋架以及穿線(xiàn)盒等相應輔材，極大地降低了成本。

    3）接線(xiàn)簡(jiǎn)單，如果需要增加現場(chǎng)儀表，只需就近并行掛接到原有的網(wǎng)絡(luò )上，wuxu鋪設至機柜室，既節省了電纜，降低了投資，也縮減了設計和安裝的工作量。

    4）工程實(shí)施更加方便，工程周期短，大大減少了工作量，降低了維護和安裝費用。

 

5 結束語(yǔ)

    作為一種智能化的液位測量?jì)x表，雷達料位計在罐區油品計量的應用中已經(jīng)發(fā)揮出了自身好特的優(yōu)勢，非接觸式測量、測量范圍大、精度高、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)完全滿(mǎn)足罐區油品計量對精que度、可靠性和穩定性的要求，數字式現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式不但能節省成本，而且符合現代測量技術(shù)向著(zhù)集成化、數字化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展的要求，雷達液位計將繼續在罐區油品計量中發(fā)揮重要作用。