《自动化博览》

    摘要：本文介绍了高精度脉冲雷达液位计的特点，并将其平面天线的版本应用于原油外浮顶罐，有效地解决了原油在导波管内的挂壁现象对雷达测量的影响。

   关键词：脉冲雷达；导波管；原油；粘附

   1 引言

    长期以来，在原油外浮顶罐的液位测量中，一直采用人工投尺的方法，但这种方法受人为因素影响较大，而且费时费力，人们一直在探讨采用智能液位计来代替人工测量的方法。

    目前所经常采用的液位计主要有伺服式液位计、钢带式液位计、磁致伸缩液位计及雷达液位计等几类，其中前几种均属于接触式的测量原理，对于原油这种粘稠的介质，其维护量较大，故障率较高，因此不宜采用。而雷达液位计由于采用了非接触式的测量原理，因而具有操作简单、维护方便等优点。

   2 现代的毫米级脉冲雷达技术

   长期以来，关于用何种方法可以得到更高的精度这一问题，在采用FMCW方法和脉冲法的雷达制造厂商之间存在着争论。而事实上，在目前的技术条件下，二者均可在相当宽的温度范围内保证参考条件下1mm的精度。

    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。而对于脉冲法，通过使用专利的过程，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。

   在脉冲时间行程方法中，测量系统以固定的带宽发射出某一固定频率（即载波频率）的脉冲，在介质表面反射后由接收器接收。脉冲的时间行程Δt 决定了由测量系统至介质表面的距离D：

   D =Δt×C/2 (1)

    其中，C为电磁波传播的速度，即光速。

   通过采用相位估计技术，可将测量误差降低一个数量级，达到毫米级的测量精度。

   在时间行程测量中，只要由石英晶体控制的载波脉冲发射频率稳定，就可以保证测量的稳定性。在脉冲雷达中，此石英晶体经过特殊筛选，在整个计量交接允许的温度范围内（-20℃~60℃）其频率变化不超过10ppm，完全可以满足高精度计量测量的要求。因此，脉冲雷达对温度稳定的要求不高。

    除此之外，脉冲雷达技术还有许多优点：

   采用FMCW方法的雷达在整个工作过程期间，约有一半的时间需向振荡系统供电，而脉冲雷达仅在1/400的工作时间内向振荡系统供电。因此，mm级脉冲雷达的功耗仅有320MW。而用于防爆区域的本安型号更允许用户在现场打开外壳。

    其标准的24V电源可由DCS等提供，可为用户节约电缆开支。

   脉冲雷达提供了最高级别的安全性。

    基于上述原因， 世界著名的自动化仪表生产厂商Endress+Hauser公司推出了全球第一个1mm精度的脉冲雷达——Micropilot S 系列，包括FMR530/531/532/533四个型号，分别使用喇叭、杆式、平面及抛物面的天线，以及小喇叭和小抛物面的FMR540。

   3 雷达液位计在原油罐中的应用

   3.1 影响雷达测量的因素

   雷达液位测量仪表的精度在实际应用中与参考条件下是不同的。其主要原因是罐体本身成为了测量系统的一部分。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。

   影响测量精度的因素主要有以下几个方面。

    （1）在储罐中：

    仪表内部及天线连接处的阻抗跃变；

    安装短管内的阻抗跃变 ；

    罐内障碍物的干扰反射 ； 

   由罐壁、罐顶及罐底引起的多次反射 。

   （2）在导波管中，除上述因素外，还有：

   电磁波的时间行程发生了变化，此变化与导波管直径及其内部的平整程度有关；

    由于导波管内径变化等因素引起的电磁波传播方式的变化。

  3.2 喇叭天线雷达的应用

   在原油外浮顶罐中，如果喇叭天线的雷达安装在支架上测量其浮顶，但由于浮顶本身在上下移动过程中的摆动、变形等因素，效果不理想。

   一种解决的办法是将雷达安装在浮顶的导向柱上。但是，由于原油是一种粘度较大的介质，当其从高液位下降到低液位时，会在导波管内产生严重的挂壁现象，影响测量效果。

   图1所示为喇叭天线雷达在有挂壁现象的导波管内所测得的回波曲线。图中实际液位在距离罐顶15.5米左右，但由于挂壁的影响，雷达指示值经常在某高位（距离罐顶4.17米）与实际液位之间跳动。
   
                  

                                    图1 喇叭天线在有挂壁的导波管内的回波曲线

    造成这一现象的原因，是传统的喇叭天线或杆式天线的电磁波的能量分布特性。图2所示为喇叭天线所发射电磁波在导波管中的能量分布。图中深色部分为能量密度大的部分，浅色部分为能量密度小的部分。从中可以看出，电磁波与导波管的管壁有较大面积的接触，因此，当导波管内壁不平整（例如焊缝、粘附等）时，会影响测量的效果。

   3.3 FMR532的应用

   为了克服导波管内壁不平整对测量的影响，Endress+Hauser公司开发了一种特殊的天线，它能够动态平衡电磁波能量的方向，使其不触及管壁。Micropilot S FMR532就采用了这种天线。

   这种平面天线实际上是一个由若干个小天线组成的天线阵，其电磁波在在导波管内的能量分布如图3所示。
  
                     
                               图2 喇叭天线在导波管内的能量分布
  
                     
                           图3 FMR532天线在导波管内的能量分布

   从图3中可以看出FMR532所发射的电磁波的能量集中在导波管的中心，与管壁接触部分能量很小，因此其受不平整的管壁的影响也较小。

   原油罐的导向柱上安装一台FMR532 ，其回波曲线如图4所示。
  
                     
                         图4 FMR532在有挂壁的导波管内的回波曲线

   从图4中可以看出，与喇叭天线相比，FMR532的回波曲线中原油挂壁的影响很小，雷达可以很清楚地识别出液位回波。

   4 结语

   脉冲雷达保证了罐区计量所需的高精度要求。而对于原油外浮顶罐的液位测量，采用带有平面天线的FMR532雷达液位计，可以有效地克服原油挂壁的影响，得到理想的测量结果。 

  陈泽康（1975-）

  男，1997年毕业于河北理工大学过程自动化专业并获得学士学位，工程师，从事自动化专业14年。  

  摘自《自动化博览》2011年第十二期