摘 要：自第三次工業(yè)革命以來，工業(yè)自動化逐漸取代人工，新興智能儀表應(yīng)運而生，蓬勃發(fā)展。直到目前，測量液位的儀表有磁浮子式、壓力式、浮球式、浮筒式、電容式、超聲波式、雷達(dá)式、射頻導(dǎo)納式等。其中，雷達(dá)液位計因維護量小，性能高且穩(wěn)定，精度高，可靠性高的特點，在使用量占有極大的比例。經(jīng)過多年的發(fā)展，雷達(dá)液位計的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。它是基于時間行程原理的測量儀表，雷達(dá)波以光速運行，運行時間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號。探頭發(fā)出高頻脈沖在空間以光速傳播，當(dāng)脈沖遇到物料表面時反射回來被儀表內(nèi)的接收器接收，并將距離信號轉(zhuǎn)化為物位信號。國內(nèi)使用的主流雷達(dá)液位計采用的是高頻達(dá) 6、10、26MHZ 的脈沖微波工作，基本可以保證測量的精度和穩(wěn)定，但對液面有泡沫、石蠟等干擾吸收微波反射的介質(zhì)略有不足。筆者在文章中對此進(jìn)行分析和探索。

某公司為煤制甲醇工藝，精甲醇罐 4 個，中間罐 8 個（其中粗甲醇罐 4 個，一期為 2 個，二期為 2 個）法蘭口徑為 DN100。其中一期粗甲醇罐采用的是 VEGA 喇叭口雷達(dá)液位計，其余均采用導(dǎo)波纜繩雷達(dá)液位計。前期投用，運行良好。一期雷達(dá)液位計偶爾會出現(xiàn)滿量程情況，尤其在秋天晝夜溫差大時比較頻繁。拆檢為探頭處有冷凝液。半年之后，一期首先出現(xiàn)液位計大幅度波動，抑制后液位顯示正常。往后一段時間，經(jīng)常出現(xiàn)類似情況。出于甲醇有結(jié)蠟情況的考慮，可能會改變液面介電常數(shù)和吸收發(fā)射微波，將液位計更換為導(dǎo)波纜繩液位計，情況好轉(zhuǎn)。繼續(xù)運行了 4、5 個月之后，雷達(dá)液位計出現(xiàn)了無規(guī)律波動。檢查回波曲線波峰不明顯，且波峰一直變化位置，回波強度大概在 30~100 MV 波動，無法準(zhǔn)確測量液位。更換新備件后，情況沒有太大變化。每次拆檢都能不同程度地發(fā)現(xiàn)有部分顆粒狀物，懷疑為結(jié)蠟。由于工藝流程長期運行，儲罐不能經(jīng)常切出檢修清洗，且被測介質(zhì)極易結(jié)蠟。綜合以上因素，需找出一個長期穩(wěn)定有效的辦法來解決這個問題。 

1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計是依據(jù)時域反射原理（TDR）為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計，采用高頻振蕩器作為電磁脈沖發(fā)生體，發(fā)射電磁脈沖，沿導(dǎo)波纜或?qū)РU向下傳播，當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時，三暢雷達(dá)液位計的部分電磁脈沖被反射回來，形成回波。并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，通過測量發(fā)射波與反射波的運行時間，經(jīng) t=2d/c 公 式，計算得出液位高度。根據(jù)圖（a）所示，導(dǎo)波雷達(dá)液位計發(fā)射電磁脈沖時，在通過導(dǎo)波纜頂部的時候，由于距發(fā)射端較近，會產(chǎn)生一個虛假回波，可通過濾除虛假回波，來消除干擾。電磁脈沖沿導(dǎo)波纜向下傳播時，當(dāng)信號到達(dá)被測介質(zhì)表面時，回波一部分會被反射，并在回波曲線上產(chǎn)生一個階躍性變化。

另外一部分信號仍然會繼續(xù)向下傳播，直到損耗在不斷發(fā)射中。液位計通過檢測出液位回波和頂部發(fā)射回波之間的時間差，根據(jù)這個時間差，經(jīng)過智能化信號處理器，進(jìn)行計算就可以得到液位的高度。

從圖（b）可以看出，在空罐的時候，沒有液位就不會檢測到液位回波信號，但是頂部虛假回波同樣會存在，電磁脈沖傳輸?shù)綄?dǎo)波纜的底部，罐底會產(chǎn)生一個回波。假如罐體內(nèi)有兩種不相溶的介質(zhì)，由于密度不同，兩種介質(zhì)會分為上下兩層。如果且這兩種介質(zhì)的介電常數(shù)相差極大，那么就可以通過回波信號的不同來判斷兩種介質(zhì)的界面，進(jìn)而計算出兩種介質(zhì)的高度以及界面的高度。由于電磁脈沖是通過導(dǎo)波纜向下傳播，信號衰減比較小，因而可以測量低介電常數(shù)的介質(zhì)。一般情況下被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)越大，反射回來的脈沖信號就越強。也就更容易區(qū)分出虛假回波。更容易得到真實液位。比如水比甲醇更容易測量。 

2 介質(zhì)的相對介電常數(shù)對信號的影響

介質(zhì)的相對介電常數(shù)是表征介質(zhì)極化的一個物理量，它是由介質(zhì)本身的屬性決定的。因此，介質(zhì)不同，相對介電常數(shù)也不同。被測介質(zhì)的介電常數(shù)大小直接影響高頻脈沖信號的反射率。當(dāng)電磁脈沖到達(dá)介質(zhì)表面時，電磁波會發(fā)生反射和折射。相對介電常數(shù)越大，則反射的損耗越小，相反相對介電常數(shù)越小，則發(fā)射的損耗越大，信號衰減的越嚴(yán)重。當(dāng)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率大于10mS/cm，則會全部反射回來，即回波信號越強。由于過小的相對介電常數(shù)會導(dǎo)致信號極度衰減。因而每一種導(dǎo)波雷達(dá)液位計都具有一項zui小相對介電常數(shù)，確保三暢雷達(dá)液位計能夠正常使用。不同公司的導(dǎo)波雷達(dá)液位計在結(jié)構(gòu)設(shè)計上不同，對zui小相對介電常數(shù)的要求也不同。VEGA FX81 的zui小相對介電常數(shù)是 1.4，E+HFMP41 的zui小相對介電常數(shù)是 1.4 rosemount 5301 的zui小相對介電常數(shù)是 1.2

3 浮子液位計的測量原理

在液體中，由于物體密度小于液體密度，物體會浮在液體表面，這個物體可以被稱為浮子。在各種條件不變化的情況下，物體所受浮力是恒定的，浸入液體的體積也是恒定的。即高出液面的距離也是恒定的。當(dāng)液位變化時，浮子隨著液面的變化而變化。根據(jù)阿基米德浮力定律可以算出物體高處液面的距離，繼而得出真實的液位。解決方法如下：

選取一密度比較小的物體（不溶于被測介質(zhì)），選用現(xiàn)場隨處可見的泡沫（成分聚苯乙烯，不溶于醇類），厚約 10 mm。作大小直徑為 75 mm、65 mm 的圓臺形。中間圓心開約 10 mm 的孔。為防止泡沫在運行中長期浮動磨損，取 Φ10 氣源管 20 mm 長，置于圓臺中間孔內(nèi)。再截取直徑為 70 mm 的鋁皮（現(xiàn)場保溫隨處可見）放于圓臺之上。用以改變被測介質(zhì)的液面屬性，加強回波。將三暢雷達(dá)液位計纜繩旋開，將浮子串入纜繩中，將纜繩恢復(fù)。緩慢放入導(dǎo)波管中。檢尺實際液位，調(diào)整偏移量，使其顯示等于實際液位。經(jīng)過長時間多次檢尺測量對比，誤差在 5 mm 以內(nèi)，對于一些液位控制要求不是很高的地方，有很好的借鑒意義。目前液位計已持續(xù)運行 3 年有余，一直運行良好。 

4 結(jié) 語

雷達(dá)液位計在化工企業(yè)應(yīng)用廣泛，改造雖小，卻經(jīng)濟實用。既降低了故障率，又節(jié)省了成本。通常我們只從儀表本身問題出發(fā)，而去解決問題。這次通過改變介質(zhì)液面性質(zhì)，來達(dá)到雷達(dá)液位計穩(wěn)定運行的目的。也為我們開辟了一條新思路。