雷達(dá)物位計(jì)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，性價(jià)比與日俱增，如今已占物位測(cè)量領(lǐng)域市場(chǎng)份額的25%，僅次于壓力（差壓）式物位計(jì)。
雷達(dá)物位計(jì)基于有源雷達(dá)的回波測(cè)距原理，即電磁波(通常采用微波段)在傳播途中介質(zhì)的介電常數(shù)或幾何形狀改變時(shí)發(fā)生反射。根據(jù)電磁波處理方式的不同，雷達(dá)物位計(jì)分為調(diào)頻連續(xù)波型FMCW(frequency modulated continue wave)和脈沖(pulse)型，前者的處理對(duì)象為發(fā)射與接收信號(hào)的頻率差，后者為時(shí)間差。一般而言，采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，電子線路復(fù)雜，功耗大，大多采用四線制，但信號(hào)強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量穩(wěn)定、精確度高，多用于儲(chǔ)罐計(jì)量；采用脈沖波技術(shù)，功耗低，一般用二線制24CDC測(cè)量回路供電，容易實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，處理算法成熟豐富，適用范圍廣，更適合于工況復(fù)雜多變的過程測(cè)量。但近年來隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，兩者在測(cè)量和使用效果上的差異越來越小，精度都可以達(dá)到±1mm以內(nèi)，都有高速跟蹤液位的表現(xiàn)。另外，還有將兩者結(jié)合起來的調(diào)頻脈沖波型雷達(dá)，其脈沖波的載波是連續(xù)調(diào)頻的。
1、雷達(dá)物位計(jì)設(shè)計(jì)選型
1.1 雷達(dá)物位計(jì)綜述
根據(jù)電磁波傳播方式的不同雷達(dá)物位計(jì)可分為介質(zhì)接觸式與非接觸式。前者電磁波在導(dǎo)波材料限定的空間內(nèi)傳播，后者在自由空間里傳播。安裝在自由空間里的非接觸雷達(dá)，其微波信號(hào)以天線中心為軸線發(fā)射，并沿著此軸線在1個(gè)限定的錐形束角內(nèi)（即半功率波束寬度，又稱波束角、輻射角、散射角，有時(shí)波束角外的能量也不容忽視）推進(jìn)傳播，傳播沿程信號(hào)以“反比于距離二次方”的速度迅速衰減。因此，測(cè)量的關(guān)鍵是接收到足夠能量的反射回波，并識(shí)別出有效回波。接收的回波能量Pk可用簡(jiǎn)化的雷達(dá)方程表示如下：
Pk=（Pτ×C×Gi×Gt×Gr）/R2-----------①；
公式①中：Pτ為天線輻射功率；C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Gi為由目標(biāo)表面介電特性及面積決定的反射增益；Gt為天線發(fā)射效率；Gr為天線接收效率；R為天線與目標(biāo)間的距離。
上述參數(shù)是設(shè)計(jì)、應(yīng)用雷達(dá)物位計(jì)必須考慮的重要因數(shù)。表1列出了反射回波能量的衰減與雷達(dá)物位計(jì)4參數(shù)的關(guān)系。
表1 反射回波能量的衰減與4參數(shù)的關(guān)系
測(cè)量條件 反射能量(最小:最大)
測(cè)量距離1-30m 1:1000
天線尺寸0.1-0.5m 1:600
界面狀態(tài)波動(dòng)-平靜 1:100
介電常數(shù)1.7-80.0 1:36
一般來說，電磁波在自由空間傳播的非接觸雷達(dá)物位計(jì)所接收到的返回信號(hào)能量遠(yuǎn)小于它所發(fā)出能量的0.1%。采用波導(dǎo)體可以約束電磁波的傳播空間，減少散射，大幅提高反射回波的質(zhì)量，使得返回信號(hào)中的干擾性雜散信號(hào)極小，簡(jiǎn)化回波的分辨處理，從而發(fā)射功率也可以更低，故導(dǎo)波雷達(dá)一般都采用脈沖式工作原理。
1.2 介質(zhì)接觸與非接觸的使用方式
接觸與非接觸的分類依據(jù)是雷達(dá)波傳播方式的不同，介質(zhì)接觸即為導(dǎo)波，如果有必要且能夠使用介質(zhì)接觸式測(cè)量方法，接觸式為首選。波導(dǎo)體可以是儀表自帶的探桿，也可以是現(xiàn)場(chǎng)制作的金屬管。介質(zhì)接觸應(yīng)用方式包括導(dǎo)波雷達(dá)(guided wavedradar)，穩(wěn)液井(stilling well)和旁通管(bypass pipeor external chamber or side vessel)里安裝的非接觸雷達(dá)(non-contacting radar or through air radar orfree-radiating radar)或?qū)Рɡ走_(dá)；導(dǎo)波雷達(dá)探頭形式有同軸、剛性桿、柔性纜，導(dǎo)波雷達(dá)的同軸式探頭從本質(zhì)上來說是小口徑穩(wěn)液井中心加了1根剛性探桿。與穩(wěn)液井或旁通管里安裝非接觸雷達(dá)相比較，導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)是一種簡(jiǎn)單的解決方案，兩者目標(biāo)一致。
1.2.1 適宜介質(zhì)接觸的工況
①非導(dǎo)電介質(zhì)(1.2≤εr≤2.0，εr為相對(duì)介電常數(shù)，以下簡(jiǎn)稱介電常數(shù))
考慮現(xiàn)場(chǎng)工況時(shí)，應(yīng)特別注意兩點(diǎn)：天線到被測(cè)介質(zhì)間氣相介電常數(shù)的分布；被測(cè)介質(zhì)表面狀態(tài)及其介電常數(shù)。雷達(dá)波在界面的反射率與兩介質(zhì)的介電性差別密切相關(guān)，有時(shí)，傳輸介質(zhì)的導(dǎo)電導(dǎo)磁性引發(fā)的微波傳播速度變化不容忽視。大部分物質(zhì)介電常數(shù)大于1.4，空氣或真空的介電常數(shù)為1.0，電磁波由真空或空氣射向介電常數(shù)為εr時(shí)，表面反射度R，介電常數(shù)在1.0附近的介質(zhì)反射率(即反射度)低，此時(shí)，非接觸式雷達(dá)往往接收不到足夠強(qiáng)度的界面反射回波。對(duì)于介電常數(shù)特別小的液化氣體，優(yōu)先使用非接觸式雷達(dá)并安裝在穩(wěn)液井上，好于旁通管安裝，后者存在入口管線干擾，如有可能考慮在旁通管內(nèi)安裝穩(wěn)液井(管套管)；桿式探頭導(dǎo)波雷達(dá)安裝在直徑不超過150mm的穩(wěn)液井或旁通管里，會(huì)獲得等同于同軸探頭導(dǎo)波雷達(dá)的最佳效果。
非接觸雷達(dá)采用間接測(cè)量技術(shù)，如罐底跟蹤模式，利用物位變化時(shí)罐底回波行程的改變甚至可以測(cè)量介電常數(shù)低至1.05的物料，類似的技術(shù)也用在導(dǎo)波雷達(dá)上。
②物料氣相阻礙或吸收雷達(dá)波
氣相中存在使雷達(dá)波衰減的物質(zhì)，如含高介電性的粉塵粉末(石墨，鐵合金等)，測(cè)量距離和效果會(huì)受影響。
某些物質(zhì)因自身或與空氣中其他成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而電離成離子，從而使其氣相具有微波吸收性，其氣液兩相介電常數(shù)的差別也因此減小，這樣會(huì)削弱界面回波。如液氨的介電常數(shù)常溫下(25℃)為14.9，不屬于非導(dǎo)電介質(zhì)，仍應(yīng)采用穩(wěn)液井上的低頻非接觸雷達(dá)或?qū)Рɡ走_(dá)物位計(jì)。
固體物料堆積往往有一定的安息角，此時(shí)應(yīng)考慮導(dǎo)波雷達(dá)。特別是粉狀物料，表面疏松以及介電常數(shù)很低的塑料粒子，微波反射相當(dāng)困難，且氣相中嚴(yán)重的粉塵會(huì)在一定程度上反射回波。
③安裝環(huán)境復(fù)雜
容器內(nèi)設(shè)備的反射會(huì)帶來較大干擾，有以下幾種情況：內(nèi)障礙物較多，比如在非接觸雷達(dá)的波束角內(nèi)有液位開關(guān)或溫度傳感器；內(nèi)有相對(duì)于雷達(dá)天線即測(cè)量參考點(diǎn)對(duì)稱的裝置，如加熱盤管、隔板等；球罐和臥罐、水平圓柱形和球形儲(chǔ)罐的罐壁及罐底會(huì)帶來較大的反射干擾，可能存在因容器形狀而導(dǎo)致多重回波所產(chǎn)生的干擾影響。特別是容器內(nèi)障礙物太多或?qū)Рɡ走_(dá)的探頭與障礙物太近時(shí)，應(yīng)使用抗干擾能力強(qiáng)的同軸探頭。
浮頂罐一般采用穩(wěn)液井，高精度測(cè)量時(shí)還要考慮介質(zhì)氣化對(duì)微波傳輸速度的影響。
④液面湍動(dòng)及液面有泡沫
液面湍動(dòng)有可能引起多徑反射，要避免安裝在有很強(qiáng)渦流的地方，如攪拌或很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)處。表面的泡沫可能會(huì)吸收或反射雷達(dá)波，視泡沫的導(dǎo)電性而定：對(duì)于干泡沫，微波信號(hào)可以穿過，直接到達(dá)液體表面；中性泡沫可能吸收或散射微波，難以預(yù)判；濕泡沫表面會(huì)反射微波信號(hào)；當(dāng)介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時(shí)，測(cè)量誤差較大或無法測(cè)量。相比而言，低頻雷達(dá)穿透泡沫的能力比高頻強(qiáng)。
采用四線制、大尺寸特殊設(shè)計(jì)天線、高頻、連續(xù)調(diào)頻波的非接觸雷達(dá)物位計(jì)能發(fā)射接收到更強(qiáng)的信號(hào)，并采用功能強(qiáng)大的微處理器進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理，可以在很大程度上應(yīng)對(duì)上述四種工況，應(yīng)用非接觸雷達(dá)物位測(cè)量方法同樣可測(cè)介電常數(shù)低至１．２的物料的液面，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)；另外，先進(jìn)的干擾回波鎖定及干擾抑制技術(shù)也可以很大程度上克服干擾。但是，相比接觸式測(cè)量方式，其價(jià)格昂貴。
⑤界位測(cè)量
導(dǎo)波雷達(dá)的低頻波穿透性強(qiáng)，無發(fā)散角，回波更強(qiáng)，使其不僅適合測(cè)量氣液(氣固)兩相的界面，還可以測(cè)量介電常數(shù)相差大的上層非導(dǎo)電與下層導(dǎo)電液體的界位。典型應(yīng)用是油水界位測(cè)量，但需注意介電常數(shù)對(duì)電磁波速度的影響，上層物料的介電常數(shù)必須精確輸入雷達(dá)，液界位已知時(shí)則可反算介電常數(shù)。
1.2.2 不宜接觸介質(zhì)的情況
使用介質(zhì)接觸測(cè)量方法就意味著放棄了非介質(zhì)接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，以下情況應(yīng)使用非接觸測(cè)量方法：
①高黏度、嚴(yán)重沉積和結(jié)晶的介質(zhì)
污染物或沉積物容易積聚在探頭或穩(wěn)液井內(nèi)壁上。薄的、均勻的積聚物對(duì)測(cè)量有輕微的影響；厚的積聚物會(huì)造成信號(hào)衰減并減小測(cè)量范圍；厚重、不均勻的粘附物形成結(jié)疤處有可能被錯(cuò)誤地評(píng)定為界位，導(dǎo)致不正確的測(cè)量。相對(duì)來說，同軸探頭與雙探頭抗干擾的能力最強(qiáng)，也最容易受掛料的影響。該種情況下，應(yīng)采用非接觸式測(cè)量方法。注意此時(shí)一般有加熱盤管、攪拌葉片、攪拌產(chǎn)生的泡沫漩渦、湍動(dòng)液面、物料揮發(fā)、蒸汽等不利測(cè)量的因素存在，這些都是非接觸雷達(dá)選型安裝時(shí)要著重考慮的。
②探頭容易損傷的場(chǎng)合
容器內(nèi)安裝攪拌器，有時(shí)攪拌器會(huì)對(duì)探頭產(chǎn)生較大機(jī)械負(fù)載的場(chǎng)合，橫向切應(yīng)力可能會(huì)折斷探頭，需要機(jī)械支架或者安裝應(yīng)用穩(wěn)液井和旁通，確認(rèn)是否采用非接觸式測(cè)量?jī)x表更合適；另外，具有強(qiáng)研磨作用的固體塊料，如鐵氧體，會(huì)磨損導(dǎo)波雷達(dá)的探頭，降低探頭的張力負(fù)載，也容易損傷探頭。
1.3 非接觸雷達(dá)的高頻與低頻
頻率影響決定不了精度，精度受雷達(dá)信號(hào)發(fā)射接收方式及回波處理算法的影響。
1.3.1 高頻的優(yōu)勢(shì)
高頻雷達(dá)物位計(jì)具有能量集中的特點(diǎn)，應(yīng)用小尺寸的天線就能獲得小波束角和大的天線增益。天線有“孔徑”和匯聚效應(yīng)，以普通錐形天線為例，天線尺寸(圓錐天線直徑D)和頻率也決定了散射(波束)角的大小，波長(zhǎng)λ越短，波束角越小，增益越大，能量更強(qiáng)更集中，量程更大。如6.3G雷達(dá)天線尺寸為150、200、250mm時(shí)，散射角約為23°、19°、15°；26G雷達(dá)天線尺寸為40、50、80、100mm時(shí)，散射角約為23°、18°、10°、8°。故高頻雷達(dá)物位計(jì)適合形狀狹高的儲(chǔ)罐，能避開復(fù)雜結(jié)構(gòu)罐中的干擾。
測(cè)量散料時(shí)，回波主要來自粗糙料面的漫反射，漫反射的強(qiáng)度與物料大小成正比，與波長(zhǎng)成反比，當(dāng)反射面的線度與波長(zhǎng)相當(dāng)或更大時(shí)，才能發(fā)生反射。顯然，工作頻率越高，其波長(zhǎng)越小，對(duì)于顆粒較小的物料，更易于發(fā)生漫反射，而大部分散料的直徑遠(yuǎn)小于50mm，故高頻雷達(dá)是散裝料物位測(cè)量的最佳選擇，較小的波長(zhǎng)可以最大程度保證發(fā)射出去的雷達(dá)波能夠在粗糙的固體表面反射回雷達(dá)探頭。
1.3.2 低頻的特點(diǎn)
高頻波穿透介質(zhì)時(shí)，表現(xiàn)更強(qiáng)的散射性，測(cè)量空間有粉塵或蒸汽時(shí)，散射損失的能量較多，氣體的諧振會(huì)對(duì)某些頻率的微波產(chǎn)生選擇性的吸收和散射，空氣中的氧和水蒸氣在K波段存在顯著的吸收波峰，故高頻并不總是最佳選擇。
低頻雷達(dá)抗天線掛料和冷凝物的能力強(qiáng)，它較大的波束角和較長(zhǎng)的波長(zhǎng)使之在液面湍動(dòng)的情況下能提供最好的回波。低頻雷達(dá)穿透泡沫的能力也強(qiáng)于高頻，受沸騰表面影響小，表面沸騰、冒泡、趨于生成泡沫時(shí)，低頻更合適。
1.4 非接觸雷達(dá)的天線
天線是雷達(dá)物位計(jì)的關(guān)鍵部件，天線的材質(zhì)、形狀和尺寸決定雷達(dá)波的聚焦和靈敏度。
①圓錐天線與管狀天線
圓錐與管狀天線采用不銹鋼、哈氏合金或鉭等材質(zhì)，具有聚焦特性優(yōu)異、物理及化學(xué)特性穩(wěn)定、耐用牢固等優(yōu)點(diǎn)，適用于絕大多數(shù)場(chǎng)合。兩種天線形狀近似，同口徑的管狀天線更長(zhǎng)，聚焦性更強(qiáng)，有些管狀天線是專門為管內(nèi)安裝設(shè)計(jì)的，套管及近管壁適應(yīng)性更好。
圓錐天線整體包覆PTFE、陶瓷或其他耐腐蝕絕緣材料，做成密封天線，會(huì)顯著提高其化學(xué)穩(wěn)定性、抗凝水及抗粘附能力，尤其適用于尺寸小的高頻天線。一體化墊片法蘭天線，即所謂法蘭下置型天線就屬于這一類，其圓錐內(nèi)藏，本質(zhì)是放置在一塊高分子絕緣材料板后面的喇叭口天線，板一般呈倒三角錐形，由于微波可穿透，又稱為“窗”，主要用于強(qiáng)腐蝕性或衛(wèi)生程度要求很高介質(zhì)的液位測(cè)量。
②絕緣桿天線
絕緣桿天線又稱桿式天線、衛(wèi)生型天線，一般由PPS，PTFE等化學(xué)高分子材料制成，化學(xué)特性穩(wěn)定，特別適用于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)或衛(wèi)生程度要求很高的場(chǎng)合。其冷凝物自流除，易清洗；冷凝水積聚及介質(zhì)粘附的敏感程度要小于喇叭口天線，這是因?yàn)闂U式天線有效發(fā)射電磁波的面積要遠(yuǎn)大于喇叭天線(后者饋源只有筆尖大小)；其天線的安裝接管尺寸小，特別是帶有金屬屏蔽管的天線可適應(yīng)更細(xì)的安裝接管，可在小管徑及有冷凝和粘附的安裝短管內(nèi)進(jìn)行可靠測(cè)量，多用于C，X波段雷達(dá)，一般發(fā)射波束角大，信噪比小，常用于測(cè)量條件較好的衛(wèi)生型、腐蝕性介質(zhì)的測(cè)量。相比其他種類天線，絕緣桿天線抗荷能力差，受力會(huì)有變形或折斷的危險(xiǎn)。
③水滴型天線
水滴型天線采用水滴形寬帶振子作為饋源，尤其適合連續(xù)調(diào)頻波雷達(dá)。水滴型天線雷達(dá)物位計(jì)目前德國(guó)科隆和云南昌暉儀表比較有代表性，材質(zhì)為PP或PTFE等化學(xué)高分子材料，橢圓形的結(jié)構(gòu)，表面光滑，不易掛料，容易自清潔。在與錐形天線尺寸同等的情況下，水滴型天線的波束角更小，K波段天線尺寸為80、150mm時(shí)，散射角分別為8°、4°，但機(jī)械強(qiáng)度弱于錐形天線。
④拋物面天線
拋物面反射器與焦點(diǎn)處的饋源兩部分組成短背射拋物面天線，波束角可以做到4°或更小，能量集中，干擾回波少，量程更大，適用于測(cè)量低介電常數(shù)的料面，可用于狹長(zhǎng)儲(chǔ)罐。其天線尺寸同樣在C，X，K三波段依次減小，如6.3時(shí)，尺寸為450mm的天線可獲得7°的波束角；26G時(shí)，尺寸為200mm天線可獲得4°的波束角。大尺寸拋物面天線的低頻雷達(dá)物位計(jì)在嚴(yán)重結(jié)垢結(jié)焦、掛料、蒸汽、冷凝的場(chǎng)合中應(yīng)用有良好效果對(duì)污染最不敏感，幾乎完全免維護(hù)，但拆裝不便。
⑤平面陣列天線
平面陣列天線采用平面陣列技術(shù)，將若干個(gè)小天線組成天線陣，其多點(diǎn)發(fā)射源在同一平面內(nèi)，使得測(cè)量參考點(diǎn)由一基準(zhǔn)點(diǎn)變成了一基準(zhǔn)平面，配以相應(yīng)電子線路和信號(hào)處理方式，可以大幅提高測(cè)量精度。普通天線安裝在穩(wěn)液井內(nèi)時(shí)，其測(cè)量精度會(huì)顯著降低，且易受管壁平整度的影響，而穩(wěn)液井專用平面陣列天線，其多點(diǎn)發(fā)射源的電磁場(chǎng)模式使得各方向的電磁場(chǎng)能量分布動(dòng)態(tài)均衡(相對(duì)于單點(diǎn)發(fā)射源線性極化的電磁場(chǎng)能量分布)，電磁場(chǎng)能量主要集中于管中心，可有效克服不平整管內(nèi)壁(焊縫、生銹、掛料等)的影響。平面天線的缺點(diǎn)是抗自身冷凝與掛料結(jié)垢的能力弱于其他種類。
1.5 穩(wěn)液井與旁通管的應(yīng)用
穩(wěn)液井的材質(zhì)一般為金屬，導(dǎo)波雷達(dá)或伺服液位計(jì)可以安裝在金屬、塑料或其他不導(dǎo)電材料制作的豎管里，所有豎管都能隔離工況，去除泡沫，提供穩(wěn)定的反射面。因此，穩(wěn)液井也稱穩(wěn)態(tài)管或穩(wěn)波管，但只有金屬材質(zhì)才能起到屏蔽干擾與聚波（導(dǎo)波）的作用。當(dāng)穩(wěn)液井起導(dǎo)波作用時(shí)可稱作導(dǎo)波管，為保證可靠測(cè)量，一般有如下要求：
①管徑
管內(nèi)徑必須恒定，微波的傳播、衰減模式與微波的頻率和導(dǎo)波管的內(nèi)徑有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)波管內(nèi)微波的傳輸速度由管內(nèi)徑和微波波長(zhǎng)決定，內(nèi)徑減小，速度也會(huì)相應(yīng)減小，管徑必須均勻并精確測(cè)量后輸入雷達(dá)，雷達(dá)內(nèi)部軟件會(huì)對(duì)波速變化進(jìn)行補(bǔ)償，內(nèi)徑不均將帶來誤差。
管內(nèi)的微波傳輸模態(tài)(mode)不止一個(gè)，每一模態(tài)都有獨(dú)一無二的傳輸速度，模態(tài)數(shù)與雷達(dá)波的頻率和管徑相關(guān)。為限制模態(tài)數(shù)，管徑建議為50-80mm，一般不超過200mm。大口徑管里，低頻優(yōu)于高頻，故高頻雷達(dá)更應(yīng)該使用小口管徑。
6.3GHz、10GHz、26GHz的非接觸雷達(dá)管徑尺寸范圍一般為80-200mm、80-150mm、40-188mm，不同管徑應(yīng)配合相應(yīng)尺寸的圓錐天線。天線外沿與管壁的間隙越小越好，大間隙可能帶來大的測(cè)量誤差，小間隙有助于在惡劣條件(管壁掛料、蒸汽、旁路入口管、焊縫、隔離球閥)下提高精度，增大量程；單探頭導(dǎo)波雷達(dá)的相配管徑一般為40-150mm；平面天線管內(nèi)徑可以達(dá)到300mm。
低頻比高頻更適于內(nèi)壁骯臟、掛料、冷凝場(chǎng)合的應(yīng)用，即內(nèi)壁粗糙時(shí)，低頻優(yōu)于高頻，故低頻更適于管內(nèi)安裝。高頻安裝的裝配要求低(如小的波束角允許天線在小距離抬出安裝管時(shí)仍能正確測(cè)量)，但應(yīng)該用于潔凈場(chǎng)合。應(yīng)用于粘附性介質(zhì)，管徑應(yīng)適當(dāng)大一些。
②長(zhǎng)度
測(cè)量范圍從管末開始，故導(dǎo)波管的末端開口的必須達(dá)到需要測(cè)量的最低液位，這樣才能在管中進(jìn)行測(cè)量。
③內(nèi)壁光滑
粗糙的內(nèi)壁反射將帶來強(qiáng)烈干擾，削減有效回波，引發(fā)誤差甚至不正確的測(cè)量。內(nèi)壁應(yīng)避免生銹、掛料、焊縫。管材最好為無縫不銹鋼管，盡量避免焊接延長(zhǎng)。采用預(yù)焊接外套管接頭或法蘭延長(zhǎng)時(shí)，接管需精確對(duì)齊，縫隙也有嚴(yán)格限制。
④開孔
開孔的唯一目的就是導(dǎo)液，以保證管內(nèi)外界面一致?？讖讲淮笥诠軓降?0%，大的開孔會(huì)帶來虛假回波，孔距至少為150mm(或遵循儀表安裝說明)，且至少有一個(gè)孔高于液面。開孔面積及數(shù)量與介質(zhì)特性(黏度、分層、混合程度)有關(guān)，孔可以單側(cè)開或?qū)﹂_，排成縱列，小心去除毛刺。
⑤安裝定位
對(duì)于微波線性極化的雷達(dá)，允許開導(dǎo)液效果更好的長(zhǎng)圓孔甚至長(zhǎng)方孔(同樣要求寬度不大于管徑的10%)，開孔長(zhǎng)度和數(shù)量不會(huì)對(duì)測(cè)量有任何影響。這是因?yàn)槠浒l(fā)射的微波有很強(qiáng)的方向性(偏振)，整個(gè)雷達(dá)發(fā)射波的能量分布是以近似橢圓形的形狀發(fā)射出去的，為減小干擾，一般要求橢圓長(zhǎng)軸(極性)方向垂直于干擾源。
對(duì)于微波圓極化的雷達(dá)，所發(fā)射微波能量各方向也是不均的，但其極性是旋轉(zhuǎn)變化的，故安裝無需特定方向。根據(jù)反射波的極性識(shí)別，可以削減固定干擾源、多徑反射帶來的虛假回波，更好地跟蹤液面回波?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，可嘗試旋轉(zhuǎn)雷達(dá)，同時(shí)查看回波質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)最佳位置安裝。
⑥適配的天線與探桿形式
管內(nèi)一般安裝圓錐和平面陣列天線的非接觸雷達(dá)或者導(dǎo)波雷達(dá)，絕緣桿天線的非接觸雷達(dá)則視具體型號(hào)而定。使用平面陣列天線或者導(dǎo)波探桿時(shí)，對(duì)導(dǎo)波管內(nèi)壁光滑度要求大幅降低，甚至允許按一定的要求變徑。
⑦附件
可以穿過球閥進(jìn)行測(cè)量，閥必須全開與穩(wěn)液井同徑對(duì)齊，保證雷達(dá)與靜液井上球閥或旁通管入口有一定的垂直距離。測(cè)量湍動(dòng)或流動(dòng)的介質(zhì)，需要將導(dǎo)波管固定；對(duì)于較長(zhǎng)的導(dǎo)波管，須考慮分段固定。
絕緣物料反射率低，淺液位時(shí)，雷達(dá)信號(hào)可穿透液位到達(dá)罐底，平金屬器底的反射會(huì)強(qiáng)于真實(shí)料面，此時(shí)需在導(dǎo)波管末端安裝斜置的反射板或?qū)?dǎo)波管末端彎曲，避免朝向器壁及大的金屬內(nèi)構(gòu)件。根據(jù)需要，穩(wěn)液井可以按一定要求彎曲。
1.6 導(dǎo)波雷達(dá)的探頭
導(dǎo)波雷達(dá)的探頭有剛性(rigid rod probe)和柔性(flexible cable or rope probe)兩種。不便使用剛性探桿(安裝空間受限、長(zhǎng)量程運(yùn)輸安裝困難)時(shí)，可使用柔性纜繩，固定末端可使柔性纜繩垂直于傾斜的固體料面；同軸、雙探頭、單探頭結(jié)構(gòu)則根據(jù)工況選取，探頭長(zhǎng)度可根據(jù)量程任意切割。
①同軸探頭
同軸式探頭雷達(dá)能量集中在小口徑的金屬管內(nèi)，導(dǎo)波沿程阻值恒定，能量傳輸效率高，可檢測(cè)到微小的導(dǎo)電（介電）性變化，更適于超低介電常數(shù)液體物位或界位測(cè)量，不受液面湍動(dòng)的影響，抗干擾能力強(qiáng)，安裝空間要求低，可以近容器內(nèi)金屬構(gòu)件安裝或與其他物位儀表裝在同一旁通管內(nèi)，且互不影響。其結(jié)構(gòu)決定了其適用于低黏度(不大于500mm2/s)清潔介質(zhì)，不適用于臟污、濃重、高黏度、易結(jié)晶的物料。
②平行雙探頭。雷達(dá)能量主要集中在兩探頭之間。測(cè)量能力、抗干擾、抗粘附能力介于同軸和單探頭之間，可應(yīng)用于泡沫與輕度掛料場(chǎng)合，膜狀涂污僅會(huì)削弱信號(hào)，掛料在探頭間“搭橋”或在隔離器上堆積會(huì)導(dǎo)致測(cè)量異常，回波較強(qiáng)的橋接處會(huì)錯(cuò)誤地評(píng)定為液位。另有三探頭，原理類似。
③單探頭
單探頭雷達(dá)能量主要分布在探頭周圍約300mm的圓周里，測(cè)量絕緣(低介電常數(shù))物料敏感性不如前兩種結(jié)構(gòu)的探頭；外界干擾敏感，應(yīng)避免靠近干擾物體(容器內(nèi)壁、內(nèi)構(gòu)間)安裝，對(duì)安裝接管的內(nèi)徑與長(zhǎng)度有要求，不滿足時(shí)將有多重回波反射，削弱測(cè)量信號(hào)，甚至測(cè)量失常；不易掛料，固體、黏度大和臟污的物料可選擇。
2、雷達(dá)物位計(jì)典型應(yīng)用與故障處理
雷達(dá)物位測(cè)量發(fā)展到今天，其技術(shù)逐漸成熟，主流產(chǎn)品較少出現(xiàn)質(zhì)量問題，故障主要集中在應(yīng)用上。下面論述典型故障及處理措施。
2.1 選型不當(dāng)
某廠污油罐，物料為不合格待回收的溶劑油或石腦油，可能含微量的水和雜質(zhì)。罐為常壓鋼結(jié)構(gòu)埋地臥罐；罐頂人孔上預(yù)留了DN150液位計(jì)法蘭口，人孔下有爬梯，爬梯傾斜向人孔，末端固定于罐底，罐深約為1.5m。
初期，應(yīng)用投入式靜壓液位計(jì)，由于物料組分變化，密度不一，測(cè)量效果差，膜盒也很快糊堵，導(dǎo)致液位測(cè)量無法參考。于是，改用非接觸脈沖雷達(dá)。該雷達(dá)精度為±10mm，工作頻率為6.3GHz，波束角大(23°)，高液位時(shí)指示良好，液位低于20%時(shí)不穩(wěn)定，記錄趨勢(shì)曲線呈鋸齒狀。
顯然，儲(chǔ)罐自身結(jié)構(gòu)是液位低時(shí)測(cè)量失常的原因，此時(shí)用雙桿導(dǎo)波雷達(dá)比較合適，非接觸高頻連續(xù)調(diào)頻波雷達(dá)在類似工況下有成功應(yīng)用的實(shí)例，但投資要昂貴得多。
由于該罐控制液位較高，液位低會(huì)影響液下出料泵的運(yùn)行，液位計(jì)的重要用途是防止冒罐。因此，增大了液位計(jì)的測(cè)量起點(diǎn)，將物料控制在高位，沒有更換此雷達(dá)液位計(jì)。
2.2 安裝不當(dāng)
雷達(dá)物位計(jì)以界面回波的能量強(qiáng)度為物位測(cè)量的基礎(chǔ)，安裝定位要求也由其發(fā)射能量的分布狀態(tài)決定，原則是使分界面反射更多的能量，并減少干擾反射的虛假回波。
非接觸雷達(dá)一般要求天線伸出安裝接管，否則要選用直的或彎曲的導(dǎo)波延長(zhǎng)管；天線軸線垂直物料界面，非接觸雷達(dá)測(cè)量固體料面一般使用瞄準(zhǔn)器；能量強(qiáng)處(發(fā)射椎體內(nèi)，尤其近天線部分)避免干擾；與容器壁保持適當(dāng)距離，防止粗糙器壁的直接反射與光滑器壁引發(fā)的多路反射；避免安裝在弧頂罐的正中心，否則，雷達(dá)波經(jīng)容器壁的多重反射后匯集，形成很強(qiáng)的干擾；有的雷達(dá)采用圓極化波等技術(shù)，可以只接收料面的直接反射，抑制干擾和多路反射的虛假回波。
導(dǎo)波雷達(dá)的安裝空間視探頭而定，同軸或平行探頭安裝要求較低，單探頭要與容器壁保持距離，特別是存在掛料時(shí)。避免接觸金屬容器的壁與底，偏離金屬容器的中心位置，與干擾源保持適當(dāng)距離，盡量遠(yuǎn)離加料口，消除柔性探頭擺動(dòng)。
非金屬容器允許雷達(dá)安裝在容器外，器壁厚度建議為微波在該材質(zhì)中傳播的半波長(zhǎng)(或半波長(zhǎng)的倍數(shù))，此時(shí)罐外的干擾也會(huì)影響雷達(dá)的工作。有的導(dǎo)波雷達(dá)要求絕緣材質(zhì)容器應(yīng)用金屬管板安裝，以提供可靠的基線反射脈沖。安裝不當(dāng)導(dǎo)致干擾虛假回波增強(qiáng)，甚至測(cè)量錯(cuò)誤。
某廠1000m3正丁烷球罐，操作壓力0.06-0.26MPa，溫度10-30℃，液相物料常溫下介電常數(shù)約1.7，氣相為氮?dú)馀c少量揮發(fā)丁烷。預(yù)制DN100管徑穩(wěn)液井，選用纜式探頭導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)，纜繩長(zhǎng)度13m，末端重錘懸空未固定，由于是過程罐，忽略揮發(fā)氣相對(duì)電磁波速度的影響，不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。應(yīng)用初期出現(xiàn)了液位測(cè)量不穩(wěn)，偶爾突變的問題。
經(jīng)檢查，纜繩沒有損傷或掛料，于是判斷液位測(cè)量小幅波動(dòng)的原因是纜繩的擺動(dòng)，測(cè)量值突變的原因是纜繩碰到了穩(wěn)液井內(nèi)壁。
于是將纜繩截短至12.5m，末端的重錘上加裝了Φ90mm中心開孔的PTFE(DK=2.1)對(duì)中盤，問題得到解決。
2.3 天線掛料的影響
物料的揮發(fā)、噴濺，甚至液位控制不當(dāng)導(dǎo)致滿罐，都會(huì)給天線帶來影響。掛料會(huì)削弱雷達(dá)信號(hào)，程度與其分布和介電常數(shù)相關(guān)，可以忽視介電常數(shù)很小的干燥掛料的影響，介電常數(shù)大的物料外掛嚴(yán)重時(shí)會(huì)使測(cè)量信號(hào)丟失。
某廠圓柱形拱頂順丁烯二酸酐(簡(jiǎn)稱順酐)儲(chǔ)罐：2個(gè)精酐罐、2個(gè)粗酐罐，操作溫度粗酐罐約70℃，精酐罐約60℃，4個(gè)儲(chǔ)罐大小相當(dāng)，高6ｍ，直徑6ｍ，氣相充氮?dú)獗Ｗo(hù)，微正壓。
液位測(cè)量最初采用了DN80的插入式雙法蘭液位計(jì)。下法蘭雖有蒸汽伴熱，但由于微量雜質(zhì)的存在(反應(yīng)副產(chǎn)物，馬來酸、溶劑等)，測(cè)量膜盒表面仍然結(jié)晶結(jié)膠，無法正常測(cè)量，維護(hù)工作量極大。于是試改用吹氣式液位計(jì)，由于順酐在吹氣管內(nèi)結(jié)晶附著影響測(cè)量精度，甚至無法測(cè)量，吹掃氮?dú)夤芫€增加伴熱，仍然無效。液位連續(xù)測(cè)量無效的情況下，工藝人員采取定時(shí)人工投尺的測(cè)量方法，揮發(fā)的酐氣具有腐蝕性，強(qiáng)烈刺激皮膚黏膜，雖有防護(hù)，仍苦不堪言。
查閱資料，常壓下順酐結(jié)晶點(diǎn)52.8℃，60℃的液態(tài)順酐相對(duì)介電常數(shù)約為50，20℃的固態(tài)順酐相對(duì)介電常數(shù)約為2.1，于是，選用了4臺(tái)脈沖雷達(dá)物位計(jì)，兩線制測(cè)量回路供電，精度±3mm，一體化墊片法蘭天線，抗腐蝕結(jié)晶性強(qiáng)，易于清潔，80mm內(nèi)藏天線允許安裝接管最長(zhǎng)達(dá)500mm。投用后，效果理想，但發(fā)生了因天線結(jié)晶帶來的故障。
故障現(xiàn)象為液位指示大幅跳動(dòng)，也有可能穩(wěn)定在某一固定值(與表的安全設(shè)置有關(guān))，表自帶操作模塊顯示信息故障代碼，相應(yīng)的建議處理措施是檢查優(yōu)化安裝方式，清理天線。
此時(shí)檢查，會(huì)發(fā)現(xiàn)天線窗上有厚度約3mm白色順酐結(jié)晶粉末，長(zhǎng)度約200mm的安裝接管也布滿了疏松的針片狀順酐晶體，輕輕敲擊，即可除去結(jié)晶，儀表指示恢復(fù)正常。由于增加反吹裝置不便，儀表與安裝接管應(yīng)用了電伴熱，使得清理周期延長(zhǎng)至2個(gè)月。
2.4 外界電磁干擾影響
雷達(dá)特別是脈沖雷達(dá)的發(fā)射功率小，容易受外界強(qiáng)電壓或強(qiáng)電流及變頻電機(jī)速度控制器的干擾，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)屏蔽處理及接地，減少干擾源。
2.5 電子虛假回波抑制的應(yīng)用
安裝時(shí)應(yīng)盡量避免干擾，無法避免時(shí)，可用折射板將過強(qiáng)的虛假反射信號(hào)折射掉，以減小虛假回波的能量密度，使傳感器較容易地將虛假信號(hào)濾出。
雷達(dá)波沿程可能會(huì)遇到干擾源、物位界面等對(duì)象，多路反射則會(huì)被認(rèn)定為對(duì)象在較遠(yuǎn)位置。主流雷達(dá)回波處理都有其獨(dú)到之處，通常可查看回波曲線，回波曲線是對(duì)容器內(nèi)狀況的掃描映射反演繪圖，即微波在傳輸沿程反射回波的能量圖譜。盲區(qū)附近的波形狀況，真實(shí)回波、虛假回波以及雜散噪聲信號(hào)的分布、寬度、強(qiáng)度以及信噪比等有關(guān)測(cè)量性能的因素都可以通過回波曲線的形式全面反映出來，使用戶一目了然。
虛假回波的處理基于回波曲線，一般要預(yù)先記錄空罐的回波，如科隆的空罐頻譜檢測(cè)記錄功能。常見虛假回波處理方法有屏蔽干擾源、虛假干擾回波注冊(cè)消除、多次回波抑制、設(shè)置靜態(tài)或動(dòng)態(tài)回波增幅置信閾值門限等方法，動(dòng)態(tài)干擾的處理更困難些。
簡(jiǎn)單的屏蔽干擾會(huì)遮蔽干擾點(diǎn)附近的所有回波信號(hào)，給測(cè)量帶來盲區(qū)；設(shè)置增幅閾值，物位在穿越干擾區(qū)時(shí)，界面回波與干擾信號(hào)疊加，使回波的波峰位置(能量最強(qiáng)點(diǎn))發(fā)生偏移，誤差由此而生；多次回波抑制可消除因多路反射造成的物位測(cè)量偏低的問題；利用圓極化等技術(shù)，可以分離界面回波與干擾回波，實(shí)現(xiàn)無效干擾回波注冊(cè)，干擾回波注冊(cè)配合抑制會(huì)使液位跟蹤更可靠，可以很大程度上提高測(cè)量質(zhì)量。
目前，雷達(dá)物位測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，雷達(dá)的生產(chǎn)廠家越來越多，價(jià)格大幅降低。本文參考了眾多廠家的雷達(dá)物位計(jì)選型樣本，用戶手冊(cè)及大量應(yīng)用實(shí)例，綜合來講，各主流品牌技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)又互相借鑒，國(guó)產(chǎn)雷達(dá)起步較晚，但提供了較高性價(jià)比的產(chǎn)品。
可以預(yù)見，雷達(dá)物位測(cè)量的應(yīng)用將進(jìn)一步普及，理想工況下盡顯其優(yōu)勢(shì)，在苛刻條件下的應(yīng)用會(huì)有更大的突破，將獲得越來越廣泛的重視。
作者：中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司 董合林\王飛\楊暉
