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石化油品儲(chǔ)罐液位測(cè)量中雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用

閱讀：19發(fā)布時(shí)間：2025-7-23

工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展極大促進(jìn)了石化領(lǐng)域自動(dòng)化的發(fā)展,石化企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中,油品儲(chǔ)運(yùn)是其中很重要的組成部分,而儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化則是發(fā)展的必然方向[1] 。
儲(chǔ)罐的液位測(cè)量是儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化的關(guān)鍵,目前已經(jīng)擺脫了以“人工檢尺”為主的測(cè)量方法,此法只作為校驗(yàn)工具而存在。從90 年代以來(lái),隨著智能儀表的發(fā)展,罐區(qū)計(jì)量逐步走入自動(dòng)化領(lǐng)域,歷經(jīng)浮子鋼帶液位計(jì)、靜壓式測(cè)量、伺服式液位計(jì)等測(cè)量?jī)x表[2] 。雷達(dá)液位計(jì)的出現(xiàn)是罐區(qū)計(jì)量的又一突破,其具有在線(xiàn)檢定和非接觸式測(cè)量的特點(diǎn),極大減少了儀表的維護(hù)工作。

1 雷達(dá)液位計(jì)原理
雷達(dá)液位計(jì)是一種利用高頻微波信號(hào)技術(shù)的非接觸式測(cè)量?jī)x表。天線(xiàn)發(fā)射的高頻電磁波經(jīng)過(guò)物面的反射,雷達(dá)儀表接收裝置檢測(cè)到返回的電磁波,計(jì)算出發(fā)射波和反射波的時(shí)間差或者頻率差,從而計(jì)算出物面的高度[3] 。
電磁波遇到被測(cè)物質(zhì)容易被反射,被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)越大,反射回波越強(qiáng)。雷達(dá)液位計(jì)的主要組成部分是信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射裝置、天線(xiàn)、接收裝置、信號(hào)處理單元等,其測(cè)量原理如下:假設(shè)d 是介質(zhì)物面與罐頂距離,F 是儲(chǔ)罐高度,則可以得出物位L 的計(jì)算式為:
L = F - d (1)
1)如若雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理為時(shí)域脈沖法(Time Domain Reflectometry,TDR),雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量脈沖往返被測(cè)介質(zhì)物面的時(shí)間為Δt,則相應(yīng)計(jì)算d 得
d = cΔt / 2 (2)
其中:c 為電磁波在儲(chǔ)罐中傳播的速度,即為光速。
2)如若雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理為調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW),原理如圖1 所示。2019 年第5 期工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)是經(jīng)過(guò)線(xiàn)性調(diào)制的,其特點(diǎn)為隨著時(shí)間的推移,天線(xiàn)發(fā)射的電磁波頻率會(huì)呈現(xiàn)某范圍內(nèi)的線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì),線(xiàn)性增益為k。當(dāng)接收裝置接收到電磁波時(shí),頻率接收和發(fā)射時(shí)必然存在頻率差Δf,有關(guān)系式

Δt = Δf / k (3)
根據(jù)Δf 計(jì)算出時(shí)間Δt,將式(3) 代入式(2)中得:
d = cΔf / 2k (4)
由式(4)可以看出,根據(jù)物位回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率差即可測(cè)出距離。距離d 與Δf 成正比,即Δf 越大,則d 越大,相應(yīng)物位L 越小。由上述兩種方法對(duì)比,FMCW 方法將直接測(cè)量時(shí)間差轉(zhuǎn)換為測(cè)量?jī)?nèi)部產(chǎn)生的頻率差,FMCW 法相較TDR 法具有更高的測(cè)量精度[4] 。可設(shè)置內(nèi)部參考頻率,使用數(shù)字晶體振蕩器控制輸出頻率,以保證雷達(dá)頻率變化的***線(xiàn)性。

2 雷達(dá)液位計(jì)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
2. 1 雷達(dá)液位計(jì)分類(lèi)及選型
雷達(dá)液位計(jì)依據(jù)不同的分類(lèi)原則有不同的分類(lèi)結(jié)果,但目前主要的分類(lèi)為兩種,一是依據(jù)計(jì)量精度分類(lèi),二是依據(jù)天線(xiàn)類(lèi)型分類(lèi)。按照計(jì)量精度分類(lèi),雷達(dá)液位計(jì)分為計(jì)量級(jí)和過(guò)程級(jí),計(jì)量級(jí)精度高于過(guò)程級(jí)精度,計(jì)量級(jí)精度可達(dá)0.5 ~1 mm,而過(guò)程級(jí)精度為3 ~10 mm 或者更大。上述提到的兩種雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理,其中時(shí)域脈沖法測(cè)量較為簡(jiǎn)單,其計(jì)量誤差會(huì)較大;而針對(duì)調(diào)頻連續(xù)波方法,時(shí)間差是由頻率差計(jì)算得來(lái),頻率差是線(xiàn)性增益,故求取誤差較小。因而,在采用雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行過(guò)程控制時(shí),若要求精度不需要太高,則測(cè)量原理一般為時(shí)域脈沖法;如果用于貿(mào)易結(jié)算時(shí),需要采用精度高的計(jì)量級(jí),其測(cè)量原理一般為調(diào)頻連續(xù)波法。
1)雷達(dá)液位計(jì)的聚焦和靈敏度由天線(xiàn)外形決定,依據(jù)雷達(dá)液位計(jì)的天線(xiàn)分類(lèi),主要有以下幾種[5] :
(1)喇叭口天線(xiàn)
喇叭口天線(xiàn)適用于大多數(shù)情況,常見(jiàn)于設(shè)計(jì)安裝在拱頂儲(chǔ)罐上,其聚焦特性好(瀝青或者類(lèi)似產(chǎn)品不建議使用)。此類(lèi)天線(xiàn)的發(fā)射角與喇叭口直徑和頻率相關(guān),相同頻率下,直徑越大,其發(fā)射角越小,聚焦能力越強(qiáng)。
(2)拋物面天線(xiàn)
拋物面天線(xiàn)尺寸較大,電磁波能量集中,量程大,測(cè)量精度高,但硫磺、瀝青等在較高溫度下容易在天線(xiàn)上附著結(jié)焦。
(3)陣列天線(xiàn)
陣列天線(xiàn)采用平面陣列技術(shù),即多點(diǎn)發(fā)射源,與單點(diǎn)發(fā)射源相比,由于其測(cè)量基于一個(gè)平面而不是一個(gè)確定的點(diǎn),故方向性好,可以與導(dǎo)波管配套使用。
2)天線(xiàn)是雷達(dá)液位計(jì)的關(guān)鍵部件,對(duì)于天線(xiàn)形式的選擇在液位測(cè)量系統(tǒng)中格外重要,雷達(dá)液位計(jì)選型一般考慮如下幾方面:
(1)雷達(dá)的選型首先決定于罐區(qū)儲(chǔ)罐的容量,對(duì)于大容量的儲(chǔ)罐,要選擇可靠性較高的液位測(cè)量?jī)x表。
( 2)對(duì)于在罐區(qū)用于長(zhǎng)輸管道輸送、裝船等進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量,其雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)選用計(jì)量級(jí)型。
(3)根據(jù)儲(chǔ)罐的形式選擇合適的天線(xiàn),如儲(chǔ)罐為內(nèi)浮頂罐,則雷達(dá)液位計(jì)須配用導(dǎo)波式,相配的天線(xiàn)類(lèi)型為陣列天線(xiàn)。
(4)依據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的性質(zhì)選用合適的天線(xiàn)類(lèi)型,如介電常數(shù)較低時(shí)選用拋物面天線(xiàn),可以達(dá)到較好的測(cè)量目的。
(5)選型時(shí)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)、液面狀況和操作條件等選擇合適的過(guò)程接口。

2. 2 雷達(dá)液位計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用
項(xiàng)目中為常溫汽油內(nèi)浮頂罐(20 000 m3 ),外形尺寸(38 000 × 17 820) mm,液位測(cè)量采用ROSEMENT5900 系列雷達(dá)液位計(jì),選用帶導(dǎo)波管陣列天線(xiàn),信號(hào)發(fā)射頻率在10 GHz 左右,微波功率小于1 mW。汽油介電常數(shù)在1. 9 左右,根據(jù)具體工況,雷達(dá)液位計(jì)選用8 寸法蘭連接。
5900 系列雷達(dá)液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由兩部分組成:液位變送器和儲(chǔ)罐Hub 終端。液位變送器由Hub回路供電,數(shù)據(jù)通信采用FF Tankbus 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議,本質(zhì)安全的FF Tankbus 符合FISCO Foundation 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),為測(cè)得儲(chǔ)罐內(nèi)液體的密度,在罐底設(shè)置壓力變送器,壓力變送器采用相應(yīng)FF 總線(xiàn)通信至儲(chǔ)罐Hub。本質(zhì)安全FISCO 菊花鏈結(jié)構(gòu)如圖2 所示。如圖2 所示,儲(chǔ)罐Hub 有2 個(gè)腔體,分為本安和非本安部分,本安側(cè)為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的FF Tankbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),非本安側(cè)TRL/2 總線(xiàn)通信至機(jī)柜室TCU。該項(xiàng)目雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用于過(guò)程控制中,若應(yīng)用于安全儀表系統(tǒng)時(shí),在SIL1 情況下,儀表內(nèi)部有且只有一個(gè)終端電阻,而在SIL2 和SIL3 情況下,不設(shè)置終端電阻。

依據(jù)《IEC 60079 - 27:Fieldbus intrinsically safeconcept ( FISCO)》, FISCO 應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)條件[6] ,ROSEMENT 5900 系列各參數(shù)與IEC。為符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求,項(xiàng)目中FF Tankbus 電纜采用1. 5 mm2屏蔽雙絞電纜。儲(chǔ)罐Hub 與機(jī)柜室內(nèi)TCU2460(儲(chǔ)罐通信單元)之間的物理層協(xié)議采用專(zhuān)用TRL/2 總線(xiàn),其采用的頻移數(shù)字通信技術(shù)抗干擾性強(qiáng),通信距離遠(yuǎn)。實(shí)際項(xiàng)目中電纜***遠(yuǎn)通信距離2. 5 km。作為將現(xiàn)場(chǎng)眾多設(shè)備連接成整體的TCU,考慮其重要性,設(shè)計(jì)為冗余。

3 安裝要求及導(dǎo)波管制作

3. 1 雷達(dá)液位計(jì)安裝要求
雷達(dá)液位計(jì)的安裝位置影響測(cè)量精度,應(yīng)充分注意以下問(wèn)題:
1)雷達(dá)液位計(jì)儲(chǔ)罐開(kāi)口位置離開(kāi)儲(chǔ)罐內(nèi)壁距離大于雷達(dá)液位計(jì)安裝法蘭面距儲(chǔ)罐底板高度的15%,使用導(dǎo)波管無(wú)此限制。
2)為保證信號(hào)波進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部,雷達(dá)液位計(jì)接口的法蘭及連接管的總長(zhǎng)度小于250 mm。
3)若有導(dǎo)波管,導(dǎo)波管應(yīng)垂直向下,允許偏差≤0.5°;水平度應(yīng)為±1°。
4)安裝時(shí)考慮儲(chǔ)罐頂板強(qiáng)度,以免造成波動(dòng)位移。
5)雷達(dá)波路徑應(yīng)避過(guò)內(nèi)部障礙物,如支撐架、加熱管及攪拌器等。
6)考慮液位條件,如避開(kāi)進(jìn)料口產(chǎn)生的紊流及泡沫。

3. 2 導(dǎo)波管制作要求
當(dāng)儲(chǔ)罐為浮頂罐或球罐時(shí),應(yīng)使用導(dǎo)波管;在介質(zhì)液面波動(dòng)或產(chǎn)生泡沫時(shí)也應(yīng)考慮加導(dǎo)波管。導(dǎo)波管不隨設(shè)備成套購(gòu)買(mǎi),宜在現(xiàn)場(chǎng)由施工單位根據(jù)具體工況制作,導(dǎo)波管制作具體要求如下:
1)導(dǎo)波管材質(zhì)應(yīng)為不銹鋼或碳鋼,球罐時(shí)必須為不銹鋼。
2)導(dǎo)波管應(yīng)為整根,若需加長(zhǎng),須用外夾套焊接方法,間隙小于1. 0 mm,焊接內(nèi)壁不能有焊縫及毛刺,否則影響測(cè)量精度。
3)導(dǎo)波管底距罐底板為100 ~ 150 mm,并加傾斜45°雷達(dá)反射板。
4)為保證導(dǎo)波管內(nèi)外等液位,導(dǎo)波管須間隔距離交叉開(kāi)孔,導(dǎo)波管內(nèi)平面需平滑,否則容易產(chǎn)生虛假液位的現(xiàn)象。開(kāi)孔尺寸應(yīng)適宜,不宜過(guò)大,以免造成管內(nèi)液位波動(dòng);也不宜過(guò)小,不能有效保證導(dǎo)波管內(nèi)外液位一致。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),開(kāi)孔總尺寸與導(dǎo)波管直徑尺寸對(duì)應(yīng)如表2 所示。也就是MEMS 傳感器向前傾斜的角度。隨著持續(xù)的降水,在14 ∶ 00 ~ 2 ∶ 00 時(shí)邊坡的形變較為穩(wěn)定,MEMS 傳感器的合成傾角速率為0. 076°/ h; 在2 ∶ 00 ~6 ∶ 00時(shí)邊坡的形變加劇,但MEMS 傳感器的合成傾角速率為0. 91°/ h。可以看出Z 軸變化明顯,X 軸則沒(méi)有太大變化,這是由于此時(shí)邊坡的下滑相比于水平的變化更為劇烈,此時(shí)應(yīng)發(fā)出邊坡失穩(wěn)預(yù)警;6: 00 后MEMS 傳感器的各個(gè)傾角速率都驟然上升,這時(shí)邊坡已經(jīng)失穩(wěn),產(chǎn)生了滑坡。

4 結(jié)語(yǔ)
該文設(shè)計(jì)了一種基于4G 無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓愤吰卤O(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng),包含數(shù)據(jù)采集與發(fā)射裝置和MEMS傾角傳感器,可實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)人監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸功能。解決了人工成本過(guò)高和數(shù)據(jù)難以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葐?wèn)題。此外,該文還使用4G 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將終端報(bào)警與短信提示預(yù)警相結(jié)合,提高了預(yù)警效果。***終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可穩(wěn)定工作,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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