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    摘要：本文介紹了高精度脈沖雷達液位計的特點，并將其平面天線的版本應用于原油外浮頂罐，有效地解決了原油在導波管內的掛壁現象對雷達測量的影響。

   關鍵詞：脈沖雷達；導波管；原油；粘附

   1 引言

    長期以來，在原油外浮頂罐的液位測量中，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，而且費時費力，人們一直在探討采用智能液位計來代替人工測量的方法。

    目前所經常采用的液位計主要有伺服式液位計、鋼帶式液位計、磁致伸縮液位計及雷達液位計等幾類，其中前幾種均屬于接觸式的測量原理，對于原油這種粘稠的介質，其維護量較大，故障率較高，因此不宜采用。而雷達液位計由于采用了非接觸式的測量原理，因而具有操作簡單、維護方便等優點。

   2 現代的毫米級脈沖雷達技術

   長期以來，關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制造廠商之間存在著爭論。而事實上，在目前的技術條件下，二者均可在相當寬的溫度范圍內保證參考條件下1mm的精度。

    對于FMCW方法，必須采用昂貴的振蕩器溫度穩定裝置，或安裝內部的參考源，通常需要不斷地進行校準。而對于脈沖法，通過使用專利的過程，脈沖的時間行程可以直接返回到不受溫度影響的石英振蕩器。

   在脈沖時間行程方法中，測量系統以固定的帶寬發射出某一固定頻率（即載波頻率）的脈沖，在介質表面反射后由接收器接收。脈沖的時間行程Δt 決定了由測量系統至介質表面的距離D：

   D =Δt×C/2 (1)

    其中，C為電磁波傳播的速度，即光速。

   通過采用相位估計技術，可將測量誤差降低一個數量級，達到毫米級的測量精度。

   在時間行程測量中，只要由石英晶體控制的載波脈沖發射頻率穩定，就可以保證測量的穩定性。在脈沖雷達中，此石英晶體經過特殊篩選，在整個計量交接允許的溫度范圍內（-20℃~60℃）其頻率變化不超過10ppm，完全可以滿足高精度計量測量的要求。因此，脈沖雷達對溫度穩定的要求不高。

    除此之外，脈沖雷達技術還有許多優點：

   采用FMCW方法的雷達在整個工作過程期間，約有一半的時間需向振蕩系統供電，而脈沖雷達僅在1/400的工作時間內向振蕩系統供電。因此，mm級脈沖雷達的功耗僅有320MW。而用于防爆區域的本安型號更允許用戶在現場打開外殼。

    其標準的24V電源可由DCS等提供，可為用戶節約電纜開支。

   脈沖雷達提供了最高級別的安全性。

    基于上述原因， 世界著名的自動化儀表生產廠商Endress+Hauser公司推出了全球第一個1mm精度的脈沖雷達——Micropilot S 系列，包括FMR530/531/532/533四個型號，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 雷達液位計在原油罐中的應用

   3.1 影響雷達測量的因素

   雷達液位測量儀表的精度在實際應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量系統的一部分。罐體及其內部的障礙物對微波的干擾決定了所能得到的精度。

   影響測量精度的因素主要有以下幾個方面。

    （1）在儲罐中：

    儀表內部及天線連接處的阻抗躍變；

    安裝短管內的阻抗躍變 ；

    罐內障礙物的干擾反射 ； 

   由罐壁、罐頂及罐底引起的多次反射 。

   （2）在導波管中，除上述因素外，還有：

   電磁波的時間行程發生了變化，此變化與導波管直徑及其內部的平整程度有關；

    由于導波管內徑變化等因素引起的電磁波傳播方式的變化。

  3.2 喇叭天線雷達的應用

   在原油外浮頂罐中，如果喇叭天線的雷達安裝在支架上測量其浮頂，但由于浮頂本身在上下移動過程中的擺動、變形等因素，效果不理想。

   一種解決的辦法是將雷達安裝在浮頂的導向柱上。但是，由于原油是一種粘度較大的介質，當其從高液位下降到低液位時，會在導波管內產生嚴重的掛壁現象，影響測量效果。

   圖1所示為喇叭天線雷達在有掛壁現象的導波管內所測得的回波曲線。圖中實際液位在距離罐頂15.5米左右，但由于掛壁的影響，雷達指示值經常在某高位（距離罐頂4.17米）與實際液位之間跳動。
   
                  

                                    圖1 喇叭天線在有掛壁的導波管內的回波曲線

    造成這一現象的原因，是傳統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射電磁波在導波管中的能量分布。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，電磁波與導波管的管壁有較大面積的接觸，因此，當導波管內壁不平整（例如焊縫、粘附等）時，會影響測量的效果。

   3.3 FMR532的應用

   為了克服導波管內壁不平整對測量的影響，Endress+Hauser公司開發了一種特殊的天線，它能夠動態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。

   這種平面天線實際上是一個由若干個小天線組成的天線陣，其電磁波在在導波管內的能量分布如圖3所示。
  
                     
                               圖2 喇叭天線在導波管內的能量分布
  
                     
                           圖3 FMR532天線在導波管內的能量分布

   從圖3中可以看出FMR532所發射的電磁波的能量集中在導波管的中心，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。

   原油罐的導向柱上安裝一臺FMR532 ，其回波曲線如圖4所示。
  
                     
                         圖4 FMR532在有掛壁的導波管內的回波曲線

   從圖4中可以看出，與喇叭天線相比，FMR532的回波曲線中原油掛壁的影響很小，雷達可以很清楚地識別出液位回波。

   4 結語

   脈沖雷達保證了罐區計量所需的高精度要求。而對于原油外浮頂罐的液位測量，采用帶有平面天線的FMR532雷達液位計，可以有效地克服原油掛壁的影響，得到理想的測量結果。 

  陳澤康（1975-）

  男，1997年畢業于河北理工大學過程自動化專業并獲得學士學位，工程師，從事自動化專業14年。  

  摘自《自動化博覽》2011年第十二期