改进型雷达液位计在测量使用中有那些特点
随着生产技术的进步，曾经是高端的雷达液位计产品现如今已经走入寻常百姓家，目前雷达液位计的测量技术已经相当成熟，在许多工业领域都有着普遍的使用，对于一般性的测量现场雷达液位计都有着非常优秀的表现，测量液位过程中的众多优点得到了用户一致的认可，不过对于易挥发结晶介质的液位测量仍然存在不同程度的局限性。为增强雷达液位计的使用性能，通过对生产过程中使用的雷达液位计在对槽体液位测量中出现的一系列问题进行深入分析，并结合雷达液位计的测量原理和结构特点，本文提出了一种利用雷达液位计与导波管相结合的测量方法，为化工企业生产中雷达液位计的使用提供了参考。
该改进型雷达液位计结构简单，易于安装与维护，有效避免了槽体液位测量中液位波动、测量介质等因素的影响，使测量精度提高了10倍以上，抗干扰能力大大增强，确保了测量结果的稳定性和准确性。
该改进型雷达液位计的创新性在于结合了导波管与雷达液位计的优点，成功解决了雷达液位计在液位测量过程中的局限性。该研究成果解决了槽体液位测量过程中常见的问题，同时为石化、焦化、化工等行业生产过程中雷达液位计的使用方法提供了一些启示。
0 引言
在工业生产中，地下槽体通常被用于工业循环液的存储，是整个生产过程中的重要辅助装置。其内部介质的液面高度是整个工艺控制过程中一个重要工艺参数，所以实现地下槽体的液位精确测量对整个生产系统的安全运行起着重要的作用。但因为地下槽体内部介质会对雷达液位计的测量造成不同程度的影响，且一些液位测量结果与工业生产过程中的安全仪表系统存在联锁关系［1］，所以如何排除各种影响液位精确测量的因素就成为了一项十分重要的研究课题。
1 背景介绍
工业生产中经常会遇到对容器内液体的物位测量的情况，人们运用多种方法来进行液位的测量，导波雷达液位计和普通雷达液位计就是两种常用的液位测量仪表。但由于环境和工况等因素的影响，导致两者在液位测量过程中均存在很大的局限性。特别是在焦化行业中槽体等杂质较多的环境，导波雷达液位计为接触式测量，其导波杆会被粘上焦油等杂质，从而影响液位计的正常测量。与之相比，可实现非接触式测量的雷达液位计更显优势，其不接触被测量介质，从而避免了上述情况的出现，但液面波动也会影响普通雷达液位计的测量精度。采用非接触式液位测量的方式还有超声波液位计，但其信号的“拖尾”现象影响了绝对时间准确性，进而影响液位测量的精度。雷达液位计是一种采用微波测量技术的非接触式液位测量仪表，目前较为广泛地应用于地下槽体的液位测量。当被测量液面平静时，雷达波反射较好、测量精度高。但实际应用中，由于槽体内液位环境较为复杂，设备受到漂浮物、结冰、液体流入和泵出时造成的液面波动、雷达天线表面结晶等因素干扰，会出现测量数据波动，这将直接导致测量数据无法真实反映液位信息。
针对以上影响槽体液位测量的因素，对雷达液位计及其附属设备的结构和测量方法进行了针对性改进，可有效避免以上干扰因素对液位测量结果的影响，保证雷达液位计的可靠运行。多次试验表明，该方法稳定、可靠，改进后的测量系统在实际应用中具有良好的使用效果。
2 雷达液位计的组成及工作原理
2.1 组成概述
雷达液位计由天线系统、电子部件、微处理器组成。天线系统的作用是为了发射微波脉冲和接收反射回波，电子部件将时间信号转换成物位信号，微处理器可以准确分辨出物位回波去除虚假回波。普通雷达液位计结构如图1 所示。
2.2 工作原理
雷达液位计的工作原理是通过天线向被测介质物位发射电磁波，测出电磁波发射和反射回来的时间，从而计算出容器内液位。雷达液位计的天线系统发射极窄的电磁波脉冲。这个脉冲以光速在空间内传播，遇到被测介质表面，其部分能量被反射回来，被同一个天线系统接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线系统到被测介质表面的距离成正比。通过分析天线发射波与介质液位反射波之间的时间差与微波波速之间的关系，实现容器介质液位的测量。由于电磁波的传播速度极高，发射脉冲与接收脉冲的时间间隔很小（ns 量级），因此很难确认时间间隔大小［6］。目前，市场主流雷达液位计有两类，一类是发射频率固定不变的雷达液位计， 另一类是等幅可调频率雷达液位计。
雷达液位计具有以下两个特点：①无位移，无传动部件，非接触式测量，不受温度、压力、蒸汽、气雾和粉尘的限制，适用于黏度大的介质、有毒或无毒卫生型介质、有腐蚀性介质的物位测量；②雷达液位计没有测量盲区，可实现很高的精确度（分辨率），液位测量误差最高可达1 mm（特殊情况下可达到0.1 mm），故其可作为商用计量仪表。
3 影响雷达液位计测量的因素
影响雷达液位计测量的因素主要有以下三个。
①环境温度。
环境温度会造成槽体内易挥发的介质结晶附着在雷达液位计的天线表面，从而严重影响天线系统的信号发射和接收，造成测量数值的波动和假值。测量过程中介质的不同温差对雷达液位计的测量偏差有着重要的影响。
②蒸汽。
被测量槽体内介质上方会存在大量的蒸汽，由于罐体处于地下，罐壁气温较低，蒸汽会在竖直的罐壁上凝结成液体小水珠。如果冷凝后的液体水珠不能将罐壁完全润湿，必然在罐壁上方产生很多小液滴。随着蒸汽量的增加，小液滴汇集后因重力影响落入罐内，并形成液滴形成、汇集、掉落的循环过程。经研究发现，罐壁上液滴越多，液位计显示波动越严重。由此说明罐壁上的液滴也是影响雷达液位计测量结果的重要因素。分析可知，雷达天线发射的电磁波遇到罐壁上的液滴后发生不规则的反射回波，雷达液位计信号处理系统无法区分这些反射回波，从而引发液位测量故障。
③液体的湍动和气泡。
罐体内液体的流入和泵出会造成罐内介质液面的湍动和气泡的产生。这不仅会造成电磁波的吸收和散射，还会造成电磁波的折射和反射，极大地衰减反射回天线的有效电磁波信号的强度，严重影响雷达液位计的准确测量。
4 雷达液位计的改进措施及应用
4.1 测量结构及应用
针对以上影响雷达液位计测量的因素，对雷达液位计的整体测量系统进行相应的改进。改进型雷达液位计结构如图2 所示。
改进型雷达液位计在普通雷达液位计的基础上增加了导波管和浮球。其中，导波管必须垂直于液面安装；浮球处于导波管内部，其直径与导波管直径相当，材料视容器内介质密度而定，材料密度应小于介质密度，使其漂浮在介质表面，且可以随着液位的升高在浮力的影响下于导波管内部上下移动。导波管上部和下部均设一开孔，考虑到被测介质内杂质堵塞导波管下部开孔位置，可根据实际，在不影响测量导波管结构安全的情况下， 增加下开孔处环导波管同一平面的开孔数量。导波管上开孔可使浮球上部与容器内上部气压一致，保证导波管内外液面相同。改进型雷达液位计天线发射的电磁波可以沿着导波管射向浮球，并接收浮球反射回的电磁波，从而通过计算浮球高度得到槽体内介质液面高度。
改进型雷达液位计安装方便，可用于封闭式、半封闭式以及开放式容器的液位测量。导波管可以阻挡由于外界湍流和气泡引起的内部液面波动，有效地降低了介质液面波动引起的测量误差。通过加装测量套管，减小了导波管内介质液面的挥发面积，有效降低了易结晶介质挥发后引起的测量误差。
通过运行液位补偿算法，可使液位测量结果更趋稳定和精确。
4.2 测量结构安装要点
改进型雷达液位计在安装时，要与罐壁保持一定的距离，并尽量避开加热管和搅拌机构，这样才能有效避免其对改进型雷达液位计的干扰，确保改进型雷达液位计准确测出液位。改进型雷达液位计的天线使用锥体天线最佳。锥体天线没有防护罩，可以有效防止被测介质因温度而出现天线表面结晶现象，从而给测量带来不必要的影响。
导波管在安装时一定要垂直于被测液面。电磁波的时间行程变化与导波管的直径及其内部的平整程度有很大关系。如果导波管内部不平整，会造成电磁波的回程时间增加且强度减弱，从而不能得出准确的测量结果。
4.3 设备应用
改进型雷达液位计被用于罐体及地下槽体液位的测量，精度提高到0.1 mm，测量结果稳定可靠。重要的是，该设计有效排除了外界测量环境对测量过程的影响，维护量小，极大地节约了人工和材料成本，取得了可观的经济效益。稳定、精确的测量结果为安全生产提供了有效的保障。
5 结束语
针对雷达液位计在实际使用过程中遇到蒸汽量大、液面扰动、挥发介质结晶等直接影响测量结果准确性的状况，通过在传统的容器液位测量装置上加装一种内含浮球的导波管装置，有效地减小了雷达液位计天线处由于蒸汽凝结、介质结晶、罐内介质液面波动引起的液位测量误差。这样就保证了液位测量精度，有效地排除了环境和介质属性等因素对改进型雷达液位计测量过程的影响。
随着生产技术的进步，曾经是高端的雷达液位计产品现如今已经走入寻常百姓家，目前雷达液位计的测量技术已经相当成熟，在许多工业领域都有着普遍的使用，对于一般性的测量现场雷达液位计都有着非常优秀的表现，测量液位过程中的众多优点得到了用户一致的认可，不过对于易挥发结晶介质的液位测量仍然存在不同程度的局限性。为增强雷达液位计的使用性能，通过对生产过程中使用的雷达液位计在对槽体液位测量中出现的一系列问题进行深入分析，并结合雷达液位计的测量原理和结构特点，本文提出了一种利用雷达液位计与导波管相结合的测量方法，为化工企业生产中雷达液位计的使用提供了参考。
该改进型雷达液位计结构简单，易于安装与维护，有效避免了槽体液位测量中液位波动、测量介质等因素的影响，使测量精度提高了10倍以上，抗干扰能力大大增强，确保了测量结果的稳定性和准确性。
该改进型雷达液位计的创新性在于结合了导波管与雷达液位计的优点，成功解决了雷达液位计在液位测量过程中的局限性。该研究成果解决了槽体液位测量过程中常见的问题，同时为石化、焦化、化工等行业生产过程中雷达液位计的使用方法提供了一些启示。
0 引言
在工业生产中，地下槽体通常被用于工业循环液的存储，是整个生产过程中的重要辅助装置。其内部介质的液面高度是整个工艺控制过程中一个重要工艺参数，所以实现地下槽体的液位精确测量对整个生产系统的安全运行起着重要的作用。但因为地下槽体内部介质会对雷达液位计的测量造成不同程度的影响，且一些液位测量结果与工业生产过程中的安全仪表系统存在联锁关系［1］，所以如何排除各种影响液位精确测量的因素就成为了一项十分重要的研究课题。
1 背景介绍
工业生产中经常会遇到对容器内液体的物位测量的情况，人们运用多种方法来进行液位的测量，导波雷达液位计和普通雷达液位计就是两种常用的液位测量仪表。但由于环境和工况等因素的影响，导致两者在液位测量过程中均存在很大的局限性。特别是在焦化行业中槽体等杂质较多的环境，导波雷达液位计为接触式测量，其导波杆会被粘上焦油等杂质，从而影响液位计的正常测量。与之相比，可实现非接触式测量的雷达液位计更显优势，其不接触被测量介质，从而避免了上述情况的出现，但液面波动也会影响普通雷达液位计的测量精度。采用非接触式液位测量的方式还有超声波液位计，但其信号的“拖尾”现象影响了绝对时间准确性，进而影响液位测量的精度。雷达液位计是一种采用微波测量技术的非接触式液位测量仪表，目前较为广泛地应用于地下槽体的液位测量。当被测量液面平静时，雷达波反射较好、测量精度高。但实际应用中，由于槽体内液位环境较为复杂，设备受到漂浮物、结冰、液体流入和泵出时造成的液面波动、雷达天线表面结晶等因素干扰，会出现测量数据波动，这将直接导致测量数据无法真实反映液位信息。
针对以上影响槽体液位测量的因素，对雷达液位计及其附属设备的结构和测量方法进行了针对性改进，可有效避免以上干扰因素对液位测量结果的影响，保证雷达液位计的可靠运行。多次试验表明，该方法稳定、可靠，改进后的测量系统在实际应用中具有良好的使用效果。
2 雷达液位计的组成及工作原理
2.1 组成概述
雷达液位计由天线系统、电子部件、微处理器组成。天线系统的作用是为了发射微波脉冲和接收反射回波，电子部件将时间信号转换成物位信号，微处理器可以准确分辨出物位回波去除虚假回波。普通雷达液位计结构如图1 所示。
2.2 工作原理
雷达液位计的工作原理是通过天线向被测介质物位发射电磁波，测出电磁波发射和反射回来的时间，从而计算出容器内液位。雷达液位计的天线系统发射极窄的电磁波脉冲。这个脉冲以光速在空间内传播，遇到被测介质表面，其部分能量被反射回来，被同一个天线系统接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线系统到被测介质表面的距离成正比。通过分析天线发射波与介质液位反射波之间的时间差与微波波速之间的关系，实现容器介质液位的测量。由于电磁波的传播速度极高，发射脉冲与接收脉冲的时间间隔很小（ns 量级），因此很难确认时间间隔大小［6］。目前，市场主流雷达液位计有两类，一类是发射频率固定不变的雷达液位计， 另一类是等幅可调频率雷达液位计。
雷达液位计具有以下两个特点：①无位移，无传动部件，非接触式测量，不受温度、压力、蒸汽、气雾和粉尘的限制，适用于黏度大的介质、有毒或无毒卫生型介质、有腐蚀性介质的物位测量；②雷达液位计没有测量盲区，可实现很高的精确度（分辨率），液位测量误差最高可达1 mm（特殊情况下可达到0.1 mm），故其可作为商用计量仪表。
3 影响雷达液位计测量的因素
影响雷达液位计测量的因素主要有以下三个。
①环境温度。
环境温度会造成槽体内易挥发的介质结晶附着在雷达液位计的天线表面，从而严重影响天线系统的信号发射和接收，造成测量数值的波动和假值。测量过程中介质的不同温差对雷达液位计的测量偏差有着重要的影响。
②蒸汽。
被测量槽体内介质上方会存在大量的蒸汽，由于罐体处于地下，罐壁气温较低，蒸汽会在竖直的罐壁上凝结成液体小水珠。如果冷凝后的液体水珠不能将罐壁完全润湿，必然在罐壁上方产生很多小液滴。随着蒸汽量的增加，小液滴汇集后因重力影响落入罐内，并形成液滴形成、汇集、掉落的循环过程。经研究发现，罐壁上液滴越多，液位计显示波动越严重。由此说明罐壁上的液滴也是影响雷达液位计测量结果的重要因素。分析可知，雷达天线发射的电磁波遇到罐壁上的液滴后发生不规则的反射回波，雷达液位计信号处理系统无法区分这些反射回波，从而引发液位测量故障。
③液体的湍动和气泡。
罐体内液体的流入和泵出会造成罐内介质液面的湍动和气泡的产生。这不仅会造成电磁波的吸收和散射，还会造成电磁波的折射和反射，极大地衰减反射回天线的有效电磁波信号的强度，严重影响雷达液位计的准确测量。
4 雷达液位计的改进措施及应用
4.1 测量结构及应用
针对以上影响雷达液位计测量的因素，对雷达液位计的整体测量系统进行相应的改进。改进型雷达液位计结构如图2 所示。
改进型雷达液位计在普通雷达液位计的基础上增加了导波管和浮球。其中，导波管必须垂直于液面安装；浮球处于导波管内部，其直径与导波管直径相当，材料视容器内介质密度而定，材料密度应小于介质密度，使其漂浮在介质表面，且可以随着液位的升高在浮力的影响下于导波管内部上下移动。导波管上部和下部均设一开孔，考虑到被测介质内杂质堵塞导波管下部开孔位置，可根据实际，在不影响测量导波管结构安全的情况下， 增加下开孔处环导波管同一平面的开孔数量。导波管上开孔可使浮球上部与容器内上部气压一致，保证导波管内外液面相同。改进型雷达液位计天线发射的电磁波可以沿着导波管射向浮球，并接收浮球反射回的电磁波，从而通过计算浮球高度得到槽体内介质液面高度。
改进型雷达液位计安装方便，可用于封闭式、半封闭式以及开放式容器的液位测量。导波管可以阻挡由于外界湍流和气泡引起的内部液面波动，有效地降低了介质液面波动引起的测量误差。通过加装测量套管，减小了导波管内介质液面的挥发面积，有效降低了易结晶介质挥发后引起的测量误差。
通过运行液位补偿算法，可使液位测量结果更趋稳定和精确。
4.2 测量结构安装要点
改进型雷达液位计在安装时，要与罐壁保持一定的距离，并尽量避开加热管和搅拌机构，这样才能有效避免其对改进型雷达液位计的干扰，确保改进型雷达液位计准确测出液位。改进型雷达液位计的天线使用锥体天线最佳。锥体天线没有防护罩，可以有效防止被测介质因温度而出现天线表面结晶现象，从而给测量带来不必要的影响。
导波管在安装时一定要垂直于被测液面。电磁波的时间行程变化与导波管的直径及其内部的平整程度有很大关系。如果导波管内部不平整，会造成电磁波的回程时间增加且强度减弱，从而不能得出准确的测量结果。
4.3 设备应用
改进型雷达液位计被用于罐体及地下槽体液位的测量，精度提高到0.1 mm，测量结果稳定可靠。重要的是，该设计有效排除了外界测量环境对测量过程的影响，维护量小，极大地节约了人工和材料成本，取得了可观的经济效益。稳定、精确的测量结果为安全生产提供了有效的保障。
5 结束语
针对雷达液位计在实际使用过程中遇到蒸汽量大、液面扰动、挥发介质结晶等直接影响测量结果准确性的状况，通过在传统的容器液位测量装置上加装一种内含浮球的导波管装置，有效地减小了雷达液位计天线处由于蒸汽凝结、介质结晶、罐内介质液面波动引起的液位测量误差。这样就保证了液位测量精度，有效地排除了环境和介质属性等因素对改进型雷达液位计测量过程的影响。
