西門子雷達(dá)液位計(jì)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用
一、前言
儲(chǔ)罐是油田煉油廠、油庫、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲(chǔ)設(shè)備，通過對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液體介質(zhì)（各種石油化工產(chǎn)品）的溫度、壓力、液位、密度等參數(shù)的測量，可以計(jì)算出儲(chǔ)罐中液體的體積量及質(zhì)量儲(chǔ)量，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)中對(duì)資產(chǎn)管理的需求。
儲(chǔ)罐對(duì)液位測量的要求不同，一般可分為過程級(jí)及貿(mào)易級(jí)兩種。貿(mào)易級(jí)液位計(jì)的精度要求非常高，需要對(duì)罐內(nèi)的進(jìn)行測量，一般要求測量精度達(dá)到±1mm；而過程級(jí)液位計(jì)的精度要求一般是在±5～15mm之間，相對(duì)而言對(duì)液位計(jì)測量可靠性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格，測量目的一般是為了防止油罐冒頂、抽真空等事故的發(fā)生。
各種儲(chǔ)罐的大小和種類各不相同，所測量介質(zhì)的特性和工藝條件也各不相同，因此只有從客戶的實(shí)際情況出發(fā)，合理的選擇液位計(jì)及設(shè)計(jì)液位測量解決方案，才能使客戶的投資優(yōu)化。
二、儲(chǔ)罐液位測量技術(shù)
目前用于儲(chǔ)罐的液位測量技術(shù)非常多。根據(jù)測量方式，可以分為接觸式和非接觸式。
接觸式測量方法主要有人工檢測尺、浮子式鋼帶液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、射頻導(dǎo)納液位計(jì)等。
非接觸式測量方法主要有超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等。
其中目前市場上常用的可以滿足貿(mào)易級(jí)液位計(jì)要求的測量方式有：磁致伸縮液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)等，靜壓式液位測量系統(tǒng)（HTG）因?yàn)檫^于過于復(fù)雜，維護(hù)量大等缺點(diǎn)，使用量越來越少。而雷達(dá)液位計(jì)作為一種高精度的液位測量方式，因其量程大、安裝方便、維護(hù)量低等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的得到客戶的認(rèn)可和接受；而且近幾年，雷達(dá)液位計(jì)的價(jià)格也逐年降低，也使很多普通的用戶也開始采用起雷達(dá)液位計(jì)作為儲(chǔ)罐的液位測量方案。
三、雷達(dá)液位測量原理及特點(diǎn)
雷達(dá)液位計(jì)又稱微波液位計(jì)（Radar），是取英文詞組“RAdioDetectionAndRanging”的詞頭字母而來的縮寫詞。微波物位計(jì)朝一個(gè)目標(biāo)發(fā)射電磁波，電磁波井發(fā)射后返回發(fā)射源。安裝在發(fā)射源處的接收器捕獲到反射波，并把它與發(fā)射波作比較，確定目標(biāo)的存在和它到發(fā)射源的距離。
目前市場常見的微波物位計(jì)采用的工作原理主要有FMCW（連續(xù)調(diào)頻）和脈沖兩種。
FMCW雷達(dá)液位計(jì)采用線性的調(diào)制的高頻信號(hào)，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號(hào)。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測量方法，由頻譜計(jì)算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號(hào)并進(jìn)行掃描，同時(shí)接收返回信號(hào)。發(fā)射微波信號(hào)和返回的微波信號(hào)之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。
脈沖雷達(dá)液位計(jì)，與超聲波技術(shù)相似，使用時(shí)差原理計(jì)算到介質(zhì)表面的距離。設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號(hào)的傳播時(shí)間直接與到介質(zhì)的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達(dá)使用的是電磁波。它利用好幾萬個(gè)脈沖來“掃描”容器并得到完整的回波圖。
雷達(dá)液位計(jì)的典型波段為5.8GHz、10GHz、24GHz。通常我們稱5.8GHz（或6.3GHz）的頻率為C波段微波；10GHz的頻率為X波段微波;24GHz（或26GHz）的頻率為K波段微波。
由于雷達(dá)液位計(jì)的增益系數(shù)和波束角的大小和微波的波長以及雷達(dá)液位計(jì)的喇叭口尺寸大小有關(guān)系。因此，越來越多的雷達(dá)液位計(jì)制造商開始研發(fā)采用高頻率微波技術(shù)來改善雷達(dá)液位計(jì)的性能。同時(shí)，采用高頻技術(shù)后，可以在提高雷達(dá)性能的同時(shí)，大大縮小天線的尺寸，使安裝更加方便。
由于雷達(dá)液位計(jì)采用的微波是一種電磁波，在傳播的過程不需要傳輸媒介的傳遞，因此基本上不需要考慮揮發(fā)性氣體和蒸汽、溫度、壓力（真空）、甚至粉塵的影響。而且，由于是基于回波反射測距的原理（TOF），對(duì)雷達(dá)液位計(jì)來說，不存在磨損等問題，因此基本不需要維護(hù)；頂部安裝的方式也使安裝更加方便；而且由于微波的特性，相對(duì)其它液位測量方式，它的精度一般都能達(dá)到0.1%（全量程）的精度。由于雷達(dá)液位計(jì)具有這不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，越來越多的儲(chǔ)罐用戶開始采用雷達(dá)液位計(jì)來替代其他技術(shù)。
四、解決方案
西門子公司從1998年推出*臺(tái)智能化的雷達(dá)液位計(jì)IQ160開始，陸續(xù)推出了基于各種工作原理和采用不同頻率的雷達(dá)液位計(jì)，形成較齊全的產(chǎn)品線，能夠滿足各種不同過程工藝、介質(zhì)的測量需求。
SitransLR系列雷達(dá)目前包括ProbeLR,LR200,LR300和LR400四個(gè)系列產(chǎn)品。
ProbeLR是一款性價(jià)比*的一款雷達(dá)液位計(jì)。它是一個(gè)兩線制回路供電的，5.8GHz頻率雷達(dá)液位計(jì)，用于測量儲(chǔ)罐和過程罐中液體和漿料的物位和體積。ProbeLR是揮發(fā)性化學(xué)品、溫度梯度、真空或者常壓等工況的理想選擇，比如油庫、化學(xué)儲(chǔ)罐、化學(xué)反應(yīng)罐和長量程應(yīng)用。它的量程為20m，精度為全量稱的0.1%（如圖1）。
LR200在兼具了ProbeLR的所有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還提供了各種不同規(guī)格的安裝方式（包括各種規(guī)格法蘭和螺紋）和不同的天線的選擇（包括喇叭口天線、桿式天線、導(dǎo)波管天線等），極大程度地滿足不同過程工藝的需求。
ProbeLR和LR200都采用了一體化全封裝的儀表外殼，使儀表具有較好的密封性、抗打擊能力、抗腐蝕能力。
SITRANSLR400是長量程的連續(xù)調(diào)頻（FMCW）雷達(dá)物位儀表，可以用于高達(dá)50米的儲(chǔ)罐的測量，及時(shí)用于測量介電常數(shù)較低的介質(zhì)（輕油、液化氣等）也能得到*的測量效果。24GHz和高信噪比的特性能得到非凡的信號(hào)反射，而與介質(zhì)的介電常數(shù)無關(guān)。它還具有先進(jìn)的回波處理算法，能為惡劣的固體應(yīng)用提供可靠的測量。它的測量精度為±5mm（如圖2）。
根據(jù)儲(chǔ)罐介質(zhì)的特性，這里將各種儲(chǔ)罐測量分為輕油及原油、重油、瀝青、液化氣、腐蝕性介質(zhì)五種。
五、結(jié)束語
通過近幾年對(duì)雷達(dá)液位計(jì)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究，以及西門子不斷進(jìn)行新產(chǎn)品新技術(shù)的研發(fā)，西門子雷達(dá)液位計(jì)在各種儲(chǔ)罐的應(yīng)用也越來越成熟，成功的案例也越來越多。筆者相信隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和成熟，雷達(dá)液位計(jì)會(huì)逐步成為儲(chǔ)罐液位測量的主流。
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