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案例頻道 摘要：本文介紹了高精度脈沖雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)，并將其平面天線的版本應(yīng)用于原油外浮頂罐，有效地解決了原油在導(dǎo)波管內(nèi)的掛壁現(xiàn)象對(duì)雷達(dá)測(cè)量的影響。
關(guān)鍵詞：脈沖雷達(dá)；導(dǎo)波管；原油；粘附
1 引言
長(zhǎng)期以來，在原油外浮頂罐的液位測(cè)量中，一直采用人工投尺的方法，但這種方法受人為因素影響較大，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人們一直在探討采用智能液位計(jì)來代替人工測(cè)量的方法。
目前所經(jīng)常采用的液位計(jì)主要有伺服式液位計(jì)、鋼帶式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)及雷達(dá)液位計(jì)等幾類，其中前幾種均屬于接觸式的測(cè)量原理，對(duì)于原油這種粘稠的介質(zhì)，其維護(hù)量較大，故障率較高，因此不宜采用。而雷達(dá)液位計(jì)由于采用了非接觸式的測(cè)量原理，因而具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
2 現(xiàn)代的毫米級(jí)脈沖雷達(dá)技術(shù)
長(zhǎng)期以來，關(guān)于用何種方法可以得到更高的精度這一問題，在采用FMCW方法和脈沖法的雷達(dá)制造廠商之間存在著爭(zhēng)論。而事實(shí)上，在目前的技術(shù)條件下，二者均可在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)保證參考條件下1mm的精度。
對(duì)于FMCW方法，必須采用昂貴的振蕩器溫度穩(wěn)定裝置，或安裝內(nèi)部的參考源，通常需要不斷地進(jìn)行校準(zhǔn)。而對(duì)于脈沖法，通過使用專利的過程，脈沖的時(shí)間行程可以直接返回到不受溫度影響的石英振蕩器。
在脈沖時(shí)間行程方法中，測(cè)量系統(tǒng)以固定的帶寬發(fā)射出某一固定頻率（即載波頻率）的脈沖，在介質(zhì)表面反射后由接收器接收。脈沖的時(shí)間行程Δt 決定了由測(cè)量系統(tǒng)至介質(zhì)表面的距離D：
D =Δt×C/2 (1)
其中，C為電磁波傳播的速度，即光速。
通過采用相位估計(jì)技術(shù)，可將測(cè)量誤差降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。
在時(shí)間行程測(cè)量中，只要由石英晶體控制的載波脈沖發(fā)射頻率穩(wěn)定，就可以保證測(cè)量的穩(wěn)定性。在脈沖雷達(dá)中，此石英晶體經(jīng)過特殊篩選，在整個(gè)計(jì)量交接允許的溫度范圍內(nèi)（-20℃~60℃）其頻率變化不超過10ppm，完全可以滿足高精度計(jì)量測(cè)量的要求。因此，脈沖雷達(dá)對(duì)溫度穩(wěn)定的要求不高。
除此之外，脈沖雷達(dá)技術(shù)還有許多優(yōu)點(diǎn)：
采用FMCW方法的雷達(dá)在整個(gè)工作過程期間，約有一半的時(shí)間需向振蕩系統(tǒng)供電，而脈沖雷達(dá)僅在1/400的工作時(shí)間內(nèi)向振蕩系統(tǒng)供電。因此，mm級(jí)脈沖雷達(dá)的功耗僅有320MW。而用于防爆區(qū)域的本安型號(hào)更允許用戶在現(xiàn)場(chǎng)打開外殼。
其標(biāo)準(zhǔn)的24V電源可由DCS等提供，可為用戶節(jié)約電纜開支。
脈沖雷達(dá)提供了最高級(jí)別的安全性。
基于上述原因， 世界著名的自動(dòng)化儀表生產(chǎn)廠商Endress+Hauser公司推出了全球第一個(gè)1mm精度的脈沖雷達(dá)——Micropilot S 系列，包括FMR530/531/532/533四個(gè)型號(hào)，分別使用喇叭、桿式、平面及拋物面的天線，以及小喇叭和小拋物面的FMR540。
3 雷達(dá)液位計(jì)在原油罐中的應(yīng)用
3.1 影響雷達(dá)測(cè)量的因素
雷達(dá)液位測(cè)量?jī)x表的精度在實(shí)際應(yīng)用中與參考條件下是不同的。其主要原因是罐體本身成為了測(cè)量系統(tǒng)的一部分。罐體及其內(nèi)部的障礙物對(duì)微波的干擾決定了所能得到的精度。
影響測(cè)量精度的因素主要有以下幾個(gè)方面。
（1）在儲(chǔ)罐中：
儀表內(nèi)部及天線連接處的阻抗躍變；
安裝短管內(nèi)的阻抗躍變 ；
罐內(nèi)障礙物的干擾反射 ；
由罐壁、罐頂及罐底引起的多次反射 。
（2）在導(dǎo)波管中，除上述因素外，還有：
電磁波的時(shí)間行程發(fā)生了變化，此變化與導(dǎo)波管直徑及其內(nèi)部的平整程度有關(guān)；
由于導(dǎo)波管內(nèi)徑變化等因素引起的電磁波傳播方式的變化。
3.2 喇叭天線雷達(dá)的應(yīng)用
在原油外浮頂罐中，如果喇叭天線的雷達(dá)安裝在支架上測(cè)量其浮頂，但由于浮頂本身在上下移動(dòng)過程中的擺動(dòng)、變形等因素，效果不理想。
一種解決的辦法是將雷達(dá)安裝在浮頂?shù)膶?dǎo)向柱上。但是，由于原油是一種粘度較大的介質(zhì)，當(dāng)其從高液位下降到低液位時(shí)，會(huì)在導(dǎo)波管內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的掛壁現(xiàn)象，影響測(cè)量效果。
圖1所示為喇叭天線雷達(dá)在有掛壁現(xiàn)象的導(dǎo)波管內(nèi)所測(cè)得的回波曲線。圖中實(shí)際液位在距離罐頂15.5米左右，但由于掛壁的影響，雷達(dá)指示值經(jīng)常在某高位（距離罐頂4.17米）與實(shí)際液位之間跳動(dòng)。
圖1 喇叭天線在有掛壁的導(dǎo)波管內(nèi)的回波曲線
造成這一現(xiàn)象的原因，是傳統(tǒng)的喇叭天線或桿式天線的電磁波的能量分布特性。圖2所示為喇叭天線所發(fā)射電磁波在導(dǎo)波管中的能量分布。圖中深色部分為能量密度大的部分，淺色部分為能量密度小的部分。從中可以看出，電磁波與導(dǎo)波管的管壁有較大面積的接觸，因此，當(dāng)導(dǎo)波管內(nèi)壁不平整（例如焊縫、粘附等）時(shí)，會(huì)影響測(cè)量的效果。
3.3 FMR532的應(yīng)用
為了克服導(dǎo)波管內(nèi)壁不平整對(duì)測(cè)量的影響，Endress+Hauser公司開發(fā)了一種特殊的天線，它能夠動(dòng)態(tài)平衡電磁波能量的方向，使其不觸及管壁。Micropilot S FMR532就采用了這種天線。
這種平面天線實(shí)際上是一個(gè)由若干個(gè)小天線組成的天線陣，其電磁波在在導(dǎo)波管內(nèi)的能量分布如圖3所示。
圖2 喇叭天線在導(dǎo)波管內(nèi)的能量分布
圖3 FMR532天線在導(dǎo)波管內(nèi)的能量分布
從圖3中可以看出FMR532所發(fā)射的電磁波的能量集中在導(dǎo)波管的中心，與管壁接觸部分能量很小，因此其受不平整的管壁的影響也較小。
原油罐的導(dǎo)向柱上安裝一臺(tái)FMR532 ，其回波曲線如圖4所示。
圖4 FMR532在有掛壁的導(dǎo)波管內(nèi)的回波曲線
從圖4中可以看出，與喇叭天線相比，F(xiàn)MR532的回波曲線中原油掛壁的影響很小，雷達(dá)可以很清楚地識(shí)別出液位回波。
4 結(jié)語
脈沖雷達(dá)保證了罐區(qū)計(jì)量所需的高精度要求。而對(duì)于原油外浮頂罐的液位測(cè)量，采用帶有平面天線的FMR532雷達(dá)液位計(jì)，可以有效地克服原油掛壁的影響，得到理想的測(cè)量結(jié)果。
陳澤康（1975-）
男，1997年畢業(yè)于河北理工大學(xué)過程自動(dòng)化專業(yè)并獲得學(xué)士學(xué)位，工程師，從事自動(dòng)化專業(yè)14年。
摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十二期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)