文章来源

分享到新浪微博

摘要：本文分析介绍了西门子公司雷达液位丈量技术应用于各种常见的油品和液化气的液位测量的可能的丈量方案的选择。

关键词：雷达 液位测量 油罐 介电常数 液化气

Abstract: Thi paper introduc and anali the possibl solut of Siemen differ radar level technolog to measur familiar kind of oil and liquid-ga .

Keywords: Radar. oil tank,Level. DK, LPG

一、前言

储罐是油田炼油厂、油库、石油码头及各大石化企业普遍需要使用的存储设备。可以计算出储罐中液体的体积量及质量储量，通过对储罐内的液体介质（各种石油化 工产品）温度、压力 液位、密度等参数的丈量。以实现现代化生产中对 资产管理的需求。

储罐对液位测量的要求不同。需要对罐内的进行xx丈量，一般可分为过程级及贸易级两种。贸易级液位计的精度要求非常高。一般要求丈量精度达到 ± 1mm 而过程级液位计的精度要求一般是 ± 5 15mm 之间， 相对而言对液位计丈量可靠性和稳定性要求更为严格，丈量目的一般是为了防止油罐冒顶、抽真空等事故的发生。

各种储罐的大小和种类各不相同 因此只有从客户的实际情况动身，所测量介质的特性和工艺条件也各不相同。合理的选择液位计及设计液位测量解决方案，才干使客户的投资{zy}化。

二、储罐液位测量技术

可以分为接触式和非接触式 目前用于储罐的液位测量技术非常多。根据丈量方式。

接触式丈量方法主要有人工检测尺、浮子式钢带 液位计 伺服式液位计、静压式液位计、磁致伸缩液位计、射频导纳液位计等。

非接触式丈量 方法主要有超声波液位计、雷达液位计等。

其中目前市场上常用的可以满足贸易级液位计要求的丈量方式有：磁致伸缩液位计、伺服式液位计、雷达液位计、静压式液位计等。维护量大等缺点，静压式液位测量系统（ HTG 因为过于过于复杂。使 用量越来越少。而雷达液位计作为一种高精度的液位测量方式，因其量程大、装置方便、维护量低等优点，越来越多的得到客户的认可和接受；而且近几年，雷达液位计的价格也逐年降低，也使很多普通的用户也开始采用起雷达液位计作为储罐的液位测量方案。

三、雷达液位测量 原理及特点

雷达液位计又称微波液位计（ Radar 取英文词组 RAdio Detect And Rang 词头字母而来的缩写词。微波物位计朝一个目标发射电磁波。并把它 与发射波作比较，电磁波井发射后返回发射源。装置在发射源处的接收器捕捉到反射波。确定目标的存在和它发射源的距离。

目前市场 罕见的微波物位计采用的工作原理主要有 FMCW 连续调频）和脉冲两种。

FMCW 雷达液位计采用线性的调制的高频信号。由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行 扫描，一般都是采用 10GHz 或 24GHz 微波信号。一种基于复杂数学公式的间接丈量方法。同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质外表的距离成一定比例关系。

脉冲雷达液位计。使用时差原理计算到介质外表的距离。设备传输固定频率的脉冲，与超声波技术相似。然后接收并建立回波图形。信号的 传达时间直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使 用的电磁波。利用好几万个脉冲来 扫描 容器并得到完整的回波图。

雷达液位计的典型波段为 5.8 GHz 10GHz 24 GHz 通常我称 5.8GHz 或 6.3GHz 频率为 C 波段微波； 10GHz 频率为 X 波段微波 ; 24GHz 或 26GHz 频率为 K 波段微波。

由于雷达液位计的增益系数和波束角的大小和微波的波长以及雷达液位计的喇叭口尺寸大小有关系。因 此。采用高频技术后，越来越多的雷达液位计制造商开始研发采用高频率微波技术来改善雷达液位计的性能。同时。可以在提高雷达性能的同时，大大缩小天线的尺寸，使安装更加方便。

由于雷达液位计采用的微波是一种电磁波。因此基本上不需要考虑挥发性气体和蒸汽、温度、压力（真空）甚至粉尘的影响。而且，传达的过程不需要传输媒介的传送。由于是基于回波反射测距的原理（ TOF 对 雷达液位计来说，不存在磨损等问题，因此基本不需要维护；顶部装置的方式也使安装更加方便；而且由于微波的特性，相对其它液位测量方式，精度一般都能达到 0.1% 全量程）精度。由于雷达液位计具有这不可比拟的优点，越来越多的储罐用户开始采用雷达液位计来替代其他技术。

四、解决方案

西门子公司从 1998 年推出{dy}台智能化的雷达液位计 IQ160 开始。形成较齐全的产品线，陆续推出了基于各种工作原理和采用不同频率的雷达液位计。能够满足各种不同过程工艺、介质的丈量需求。

Sitran LR 系列雷达目 前包括 Probe LR.LR300 和 LR400 四个系列产品。 LR200.

Probe LR 一款xxx极高的一款雷达 液位计 一个两线制回路供电的 5.8GHz频率雷达液位计。比如油库、化学储罐、化学反应罐和长量程应用。量程为 20 m 精度为全量称的 0.1% 如图 1 用于丈量储罐和过程罐中液体和浆料的物位和体积。 Probe LR 挥发性化学品、温度梯度、真空或者常压等工况的理想选择。

还提供了各种不同规格的装置方式（包括各种规格法兰和螺纹）和不同的天线的选 择（包括喇叭口天线、杆式天线、导波管天线等）极大水平地满足不同过程工艺的需求。 LR200 兼具了 Probe LR 所有优点的基础上。

使仪表具有较好的密封性 抗打击能力、抗腐蚀能力。 Probe LR 和 LR200 都采用了一体化全封装的仪表外壳。

SIPANS LR 400 长量程的连续调频（ FMCW 雷达物位仪表。及时用于丈量介电常数较低的介质（轻油、液化气等）也能得到极好的丈量效果。 24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信号反射，可以用于{zg}达 50 米的储罐的丈量。而与介质的介电常数无关。还 具有先进的回波处理算法，能为恶劣的固体应用提供可靠的丈量。丈量精度为 ± 5mm 如图 2

这里将各种储罐丈量分为轻油及原油、重油、沥青、液化气、腐蚀性介质五种。根 据储罐介质的特性。

1 轻油的丈量

介电常数较低（ <3 典型的轻油介质为汽油、石脑油、石油等。一般会产生一定的 挥发性气体。

低频雷达（ Probe LR/LR200+ 导波管。如果采用低频（ 6GHz 雷达液位计直接测量。一般会要求安装导波管。 比方： Sitran LR200 配导波管的配置可以满足轻油的液位测量（如图 3 导波管的制作要求为：金属材质（{zh0}是 304 或 316 不锈钢）内壁光滑，可能会因信号过于微弱而导致失波。无明显焊缝（要求无缝焊或套焊）合适的位置开排气孔，一般在导波管的上部，开空面积根据介质特性（粘度）须适量；如有必要在 管底部设置偏置板，以防止由于微波信号穿透液面产生来自底部的错误信号。这个解决方案一般用于储罐高度小于 5 10m 应用中。

高频雷达（ Sitran LR400 采用高频率的雷达 液位计 不需要任何辅助措施（高频雷达由于其特性。由于制作导波管的利息和安装成本较高 而且很多较长的导波管在环境的变化下，一般不建议用于导波管）既可以实现测量轻油的液位。对于一些较高的储罐。可能会导致一定的变形影响雷达液位计的丈量效果和精度，因此，选择高频的 Sitran LR400 用于丈量大量程的轻油储罐的总体投资利息将会比低频雷达解决方案 更经济适用。

2 重油的丈量

其介电常数一般 >3 有一 定挥发性气体。可以采用低频的 Probe LR 或 LR200 直接丈量（如图 4 典型的重油介质为柴油等。

3 沥青的丈量

沥青（液态）介电常数也比较低。随同着高温一般都会有一定的水蒸气；沥青的特性比较粘，一般在 3 左右（根据 温度）而且液态的沥青一般需要用高温来维持。很容易产生一定的挂料的现象。

高温（ >100oC 工况。而不能选择 PPS 天线（如： Probe LR 为了防止挂料的影响，一般都需要选择 PTFE 材质的天线。可以选择喇叭口天线；但水蒸气一般会导致冷凝水的发生，经试验表明，杆式天线对冷凝水的敏感水平要小于喇叭口天线，因为杆式天线的有效发射电磁波的面积要远大于喇叭天线（发射电极 只有笔尖大小）沥青的介电常数较低，天线所产生的少量挂料一般都可以被雷达液位计的电磁波穿透；由于沥青介质的挂料比较粘稠，采用清洗装置的作用并不是很明显，因此笔者并不建议采用清洗装置用于丈量沥青。

因此。可以采用带喇叭口的 LR200 喇叭口大小应不小于 DN150 6 ; 而对于温度较高，对于储罐内搅拌、挂料非常严重的沥 青应用。冷凝水现象比较明显的工艺中，可以采用全 PTFE 杆式天线为佳：采用不锈钢屏蔽段的 PTFE 天线对口径较小的 装置立管的屏蔽效果较好，但是屏蔽长度如果选得太短了无法延长；采用全 PTFE 天线的屏蔽段长度可以根据安装立管的长度自由方便地延长，但是小口径（ ≤ DN80 装置立管会对天线的工作发生影响。因此，{zh0}在装置雷达液位计安，应对装置立管的口径和长度提出要求。

4 液化气的丈量

液化气包括液化天然气（ LNG 和液化石油气（ LPG 两种。典型的液化气介质有：丙烷、丁烷等。

球罐的高度一般在 1028m 不等。主要的特点是介电常数一般都非常低（ 1.5 1.8 高压低温贮存；防爆要求；通常用球罐存储,。

目前的雷达液位计丈量液化气主要有两种方式。

一种是利用旁通管。很容易因为旁通管质量不理想，使用低频雷达（ Sitran LR200 丈量。由于这种方式对旁通管制作的要求非常高。而导致使 用效果不佳；甚至在一些量程较大的球罐应用中，由于旁通管过长，很容易发生扭曲的现象，使雷达液位计无法测量。使用 LR200 装置在旁通管或导波管上测量液化气的解决方案，由于种种原因，鲜有胜利的案例。

另一种采用高频雷达对低介电常数介质的良好发射特性。可以满足液化气 丈量。装置位置可以选在球罐的顶上，直接丈量液化气液面。 Sitran LR400 能够直接丈量介电常数低至 1.5 介质。球罐顶部直接开孔，为了保证维护的方便，一般需要在 LR400 装置在带球阀的装置立管（建议 DN>150 为佳）上，方便随时拆下来维护；或者装置在较粗的旁通管（直径 6 10 以上）上。

Sitran LR400 国内的独山子石化炼油厂应用。发现 LR400 丈量精度和重复性均能达到非常好的效果。 并取得了良好的使用 效果。根据现场的使用测试。

5 腐蚀性介质的丈量

典型的腐蚀性介质包括：硫酸、硝酸、烧碱、盐酸等。

大部分腐蚀性介质的介电常数都较高；伴有不同水平的挥发性气体（烟雾）不同浓度的腐蚀性介质对不同的雷达天线资料有不同的腐蚀性要求；很多腐蚀性介质的挥发性气体具有一定的渗透能力。可能会渗透到仪表电子部分或天线的电机发射局部而损坏雷达液位计。 再一段时间的使用 后。

一般需要事先查化学兼容表来确认。采 用何种雷达天线来测量腐蚀性介质。

1 : 不适用于温度较高的硫酸； 2 能承受盐酸干气体； 3 超声波不适合用于测量硝酸。需要选择一体化垫片的气密型设计。 硝酸的挥发性气体对超声波有强烈的吸收作用； 4 液氨气体具有极强的渗透作用。

? 可以使用； ? 使用效果一 般； ? 不可使用； NA 未知

因此一般会选择一体化法兰垫片的选项来防止挥发性气体对法兰的腐蚀和通过法兰连接处进行渗透。考虑到很多腐蚀性介质的挥发性气体也具有一定腐蚀性和渗透性。

另外。可以考虑采用杆式天线；泡沫的厚薄和成分不同，很多酸碱储罐会产生很多 水蒸气和泡沫。这需要根据实际情况来进行适当的选择：水蒸气发生冷凝水严重的应用。对微波是否能穿透泡沫进行准确地液位测量起至关重要的作用，需要具体的分析和更多的经验的积累。

五、结束语

通过近几年对雷达液位计在石油化工领域的应用研究。西门子雷达液位计在各种储罐的应用也越来越成熟，以及西门子不断进行 新产品新技术的研发。胜利的案例也越来越多。笔者相信随着雷达技术的发展和成熟，雷达液位计会逐步成为储罐液位测量的主流。