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雷达液位计在罐区中的应用
摘要：本文系统的介绍了雷达液位计的特点和测量原理，分析了影响其测量精度的因素，并将平面天线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，提高了测量精度。
关键词：雷达，液位计，导波管，天线，原油罐，挂壁
以前罐区经常采用的液位计主要有伺服式液位计、钢带式液位计、磁致伸缩液位计等几类，他们都属于接触式的测量原理，对于原油这种较粘稠的介质，采用接触式测量容易造成挂壁粘附测量元件的现象，而且测量精度也较低，故障率较高。而雷达液位计由于采用了非接触式的测量原理，具有高度的可靠性和稳定性，而且操作简单、维护方便，在洛阳石化罐区原油罐中得到了广泛的应用。
1雷达液位计的工作原理及影响测量的因素
1.1雷达液位计的工作原理
雷达液位计通过天线发射脉冲，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。公式如下：
D=Δt*C/2(1)
其中D—测量系统至介质表面的距离，m；
Δt—脉冲的时间行程,s；
C—电磁波传播速度，C=300000km/s。
根据公式（1），转换电路再将测量信号转换成实际的距离，以及标准4-20ma信号。
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。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。雷达对温度稳定的要求也不高。
1.2影响雷达液位计测量的因素
在理论上影响雷达液位计测量的因素有很多，如：
（1）罐内障碍物的干扰反射；
（2）安装短管内的阻抗跃变；
（3）由罐壁、罐顶及罐底引起的多次反射；
（4）仪表内部及天线连接处的阻抗跃变；
（5）电磁波的时间行程发生了变化；
（6）导波管内径变化等因素引起的电磁波传播方式的变化等等。
但是，从雷达液位计在洛阳石化罐区的实际应用中我们发现，影响测量的最突出、最明显因素是导波管挂壁现象对电磁波能量分布的影响，进而影响测量。下文详细介绍了导波管挂壁现象对测量的影响及其改进的过程。
2雷达液位计在1号和16号原油罐中的应用
2．1喇叭式天线雷达液位计在原油罐中的应用
在16号原油外浮顶罐中，我们曾经将带喇叭天线的雷达安装在支架上测量其浮顶（如图1所示），但由于浮顶本身在上下移动的过程中存在着摆动、变形等现象，所以测量效果一直不是太理想。另外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安装在支架上的喇叭式天线液位计测量浮顶罐
图2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。从图中我们可以看出实际液位在距离罐顶15.5米处，而雷达指示值却在距离罐顶4.17米与实际液位之间跳动。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喇叭式天线雷达导波管有挂壁现象的回波曲线
图3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时，会影响测量的效果。

图3喇叭式天线在导波管内的能量分布
其中V/m—电场强度，伏特/米。
2．2平面式天线雷达液位计在原油罐中的应用
为了克服挂壁现象对测量的影响，E+H公司开发了一种平面式天线，它能够动态平衡电磁波能量的方向，使其不触及管壁。如图4所示：

图4动态平衡电磁波能量的天线
这种天线是由若干个小天线组成的天线阵，其电磁波在导波管内的能量分布如图5所示：

图5平面式天线在导波管内的能量分布
其中V/m—电场强度，伏特/米。
从图5可以看出这种平面式天线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。另外，为了克服浮顶本身在上下移动过程中的摆动、变形等因素对测量的影响，我们选择在原油罐的导向柱上安装了这种平面式天线雷达液位计，如图6所示：

图6平面式天线的雷达液位计导波管式安装
平面式天线的回波曲线如图7所示，与喇叭天线相比，这种天线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。所以在16号罐区原油罐中采用这种天线的雷达液位计后，就解决了原油挂壁问题对测量的影响。

图7平面式天线安装在挂壁的导波管内的回波曲线
3结论
在洛阳石化罐区中，原油这种介质粘附力特别强，所以我们采用雷达液位计这种非接触式测量。而普通的喇叭天线雷达液位计，挂壁现象极易对其测量造成影响。通过改进我们采用平面式天线（能够动态平衡电磁波能量）的雷达液位计，就有效的解决了挂壁