导波阵列天线雷达液位计在外浮顶原油储罐中的应用

生琳琳

【摘 要】本介绍了雷达液位计的工作原理及特性，并将其导波阵列天线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】雷达液位计 原油储罐 外浮顶 导波管 阵列天线

浮顶罐已经成为了储备基地普遍采用的原油储罐，而储罐的液位数据极其重要，不但要防止油罐冒顶、抽真空等事故发生，还要根据液位变化计算出储罐中原油输转、存储的体积量。在保障安全生产的前提下完成贸易交接。目前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。

1.雷达液位计的特点

雷达液位计之所以受到诸多油田企业的青睐，主要是因为该测量方法相对于其他方法来说，具有诸多优势。首先，雷达液位计是一体化设计，在具体使用过程中，各个机械之间不会出现磨损的情况，使用寿命较长。其次，雷达液位计在测量过程中其天線所发射出来的电磁波，在传输的过程中不会受到任何介质的阻碍，不但能够及时测量，而且测量的结果精度高。再次，雷达液位计的测量范围很大，最大可以达到35m 左右，可以适用于高温、高压的液位测量。最后，雷达液位计中所涉及到的天线，所采用的都是高质量的材料，具有较强的抗腐蚀性，即使在极其恶劣的环境下，也能够正常使用。

2.非接触式雷达液位计的基本原理

对于非接触式雷达液位测量，目前存在两种主要调制技术，即脉冲雷达技术和调频连续波雷达（FMCW）技术。

（1）非接触式脉冲雷达发送微波信号，信号在产品液面反弹并返回测量仪。变送器对发射信号和接收的回波信号之间的时间差进行测量，然后板载微处理器利用下列公式对液面距离进行计算。

距离=（光速x时间差）/2

只要将应用场合的测量参照高度（通常为储罐或旁通管底部）输入到变送器的程序中，微处理器即可计算出液位。误差一般为5～10mm.

（2）调频连续波（FMCW）雷达也向产品表面传送微波，但传送雷达波不再是固定的工作频率，而是被调制成围绕基本工作频率、以固定速率连续变化的高频率信号（GHz级）。雷达信号被液体表面反射后，天线接收回波由于雷达波频率不断变化，使回波与新发射的雷达波的频率不同而形成频率差Af。Af与雷达头到液面的距离（a）成正比。基于这种频率数字信号的FMCW技术是一种数字化技术，它能够有效地提高信噪比并获得更高的精度，误差低于1mm。

这两种方式的液位计都有其各自的特点，脉动冲式地是在时域中进行信号的分析，而调频连续波是在频域中进行信号的分析。两者相比较而言，前者的测量精度较低，但功耗较低，可采用二线制。后者的测量精度较高但功耗大，电子电路较为复杂，而且必须采用四线制。对于计量级高精度雷达液位计，测量原理可采用调频连续波式（FMCW）。

3.浮顶罐雷达液位计的选型及安装

3.1浮顶罐雷达液位计的选型

由于原油浮顶储罐的构成介质中，涉及到钢制浮盘，我们曾经将带喇叭天线的雷达安装在支架上测量其浮盘，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。

因此，如何透过浮盘来对储罐内的液位进行有效测量便成为了液位仪表选择所面临的一项主要问题。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。目前，可供雷达液位计选择的天线类型主要有锥形天线（喇叭口）、杆形、导波管阵列天线和抛物面型天线几种。如图1：

根据之前对普通储罐天线选择的经验来看，天线发射电磁波信号的能力以及抗干扰能力与其尺寸是有直接关系的，尺寸越大，其发射电磁波的能力就越强，抗干扰能力也随之增强。反之，则越弱。由此可见，在三种可选天线中，效果最好的应该是抛物面型天线，但这种类型的天线只适合普通原油储罐。根据浮顶罐的特点，该选择带有导波管的雷达天线：即锥形（喇叭口）和阵列天线，利用这种类型的天线对液位进行测量，可以用导波管穿过浮盘进行直接检测，轻松的解决了上述问题。事实证明，此种方法不仅能够直接对液位进行测量，而且其测量结果也非常精确。

在原油外浮顶罐中， 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。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。究其原因，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（例如焊缝、粘附等）时，会影响测量的效果。

为了克服导波管内壁不平整对测量的影响，我们采用阵列天线这种特殊的天线，它能够动态平衡电磁波能量的方向，使其不触及管壁。这种阵列天线实际上是一个由若干个小天线组成的天线阵，其电磁波在导波管内的能量分布如图4所示。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。采用阵列天线测量原油浮顶罐液位，在导波管存在挂壁现象是得到的回波曲线如图5所示。从图5中可以看出，与喇叭天线相比，阵列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。

3.2导波阵列天线在外浮顶原油罐的安装

外浮顶原油罐上，导波阵列天线一般推荐安装于储罐的导向柱上，导向柱要求为DN150、DN200、DN250或DN300固定内径的金属管。用过的旧导波管必须进行内部清洗，而且要求导波管无变形、无生锈或无过多开口。

罗斯蒙特5900S导波管阵列天线有两种不同的安装形式，固定型和铰接盖型，可满足多种要求：（1）带有一片法兰的固定性导波管阵列天线适用于无需打开储罐进行人工投尺的场合，易于安装，如图

（2）铰接盖型的导波管阵列天线适用于需要利用导波管进行人工投尺或抽样的场合。无需在短管上侧开口。但安装时需流出一定间距用于开口。如图

4.结语

雷达最初只作为军事用途，现在它已被广泛应用于交通和仪表行业，并起着举足轻重的作用。特别是雷达液位计在罐区液位的测量，它与石油化工自动化相结合，不仅实现了精确计量，而且也简化了整个工艺的流程，提高了生产效率，同时也保证了安全生产。对于大型原油外浮顶罐的液位测量，采用导波阵列天线雷达液位计，可以有效地克服原油挂壁的影响，得到理想的测量结果。

参考文献：

[1]中石油《油气储运项目设计规定》中《输油管道工程雷达液位计技术规格书》

[2]刘晓丽，邓展飞，郭勇.雷达液位计在长庆原油储罐上的应用[J]，中国石油和化工标准与质量，2011（04）.

[3]张琦. 雷达液位计在外浮顶原油储罐中的设计与应用[J]，中国化工贸易，2014（2）.

[4]冯翠翠，任军芳，贾聪颖.雷达液位计在某油库的应用与故障解决方式[J]，化工自动化与仪表，2012（06）