如何選擇適合的高頻雷達液位計?


隨著當代工業(yè)自動化程度的發(fā)展，工藝過程中對各種物料液位測量的要求越來越高，目前市場上遠傳式液位計主要包括差壓液位變送器、雷達液位計、超聲波液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計和放射性液位計等，這些液位計普遍應(yīng)用于比較簡單的工況。然而隨著對化工行業(yè)測量要求的提高及越來越多樣化，在一些較為特殊的工況中，絕大多數(shù)液位計由于受到自身條件的限制，在對液位的測量中，不但在測量精度上，甚至在測量穩(wěn)定性上往往都不盡如人意。

目前，隨著技術(shù)的不斷成熟，雷達液位計在各種行業(yè)中的使用也越來越普及，其操作簡單、安裝方便，適用范圍廣，使用壽命長的優(yōu)點受到了不少用戶的青睞。但是，傳統(tǒng)的雷達液位位計在使用中會受到一些條件的限制，所以在一些特殊工況中測量效果一直不太理想，給不少工程設(shè)計人員和用戶造成了使用不穩(wěn)定的印象。而高頻雷達液位計解決了普通雷達液位計在一些特殊工況中碰到的問題。

1 高頻雷達液位計的優(yōu)越性
目前市場上常用的雷達液位計的發(fā)射頻率為 24～26GHz，在一般的廠家介紹中也有把它稱之為高頻雷達液位計，而本文所要闡述的高頻雷達液位計的特指在發(fā)射頻率在 80GHz 或80G 以上的連續(xù)調(diào)頻波，其頻率是普通高頻雷達液位計的 3倍。

1.1 高頻雷達液位計的特點
1.1.1 聚焦能力強
雷達液位計的發(fā)射角大小反映了其聚焦能力的強弱，發(fā)射角的大小根天線有效截面積和頻率有關(guān)，其公式如下：發(fā)射角α= 光速/（天線有效截面積*頻率）從上式中可以看出，發(fā)射角α與雷達天線截面積和發(fā)射頻率成反比，在天線截面積不變的情況下，發(fā)射頻率越高，其發(fā)射角就越小。發(fā)射角越小，其聚焦能力就越強，從而雷達回波就越強，信號也就越穩(wěn)定。

1.1.2 動態(tài)范圍廣
雷達液位計的動態(tài)范圍是指液位計所能檢測到的回波的最強信號與最弱信號之間的差值。發(fā)射頻率為 24～26GHz的雷達波，其動態(tài)范圍一般在 96dB 之內(nèi)，而 80GHz 的雷達波，其動態(tài)范圍最大可以達到 120dB。動態(tài)范圍越大，說明其檢測微弱信號的能力就越大，其適用性就越廣。特別是在測量低介電常數(shù)的介質(zhì)時，傳統(tǒng)的雷達液位計一般只能測量介電常數(shù)ε＞3.0 的介質(zhì)，而高頻雷達液位計最小可以測到ε=1.1，包含了絕大部分介質(zhì)。

1.2 高頻雷達液位計的優(yōu)越性
（1）普通雷達液位計其工作條件要求介質(zhì)的介電常數(shù)不能太低，帶有攪拌或旋流情況應(yīng)配導(dǎo)波管或采用導(dǎo)波雷達，而高頻雷達液位計則基本上不受限制。
（2）高頻雷達液位計其頻率一般在 80～135GHz、測量范圍廣（達 100 米以上），不受氣相環(huán)境的影響。
（3）高頻雷達的發(fā)射角非常小，聚焦性能非常好，因此即使在是安息角非常大的料堆上，也可以獲得優(yōu)質(zhì)的信號反射，使得能夠精確測量。
（4）可采用內(nèi)置透鏡天線，無喇叭口設(shè)計。平面天線具有應(yīng)用廣泛、小安裝接口等優(yōu)點。

2 高頻雷達液位計在特殊工況中的應(yīng)用
2.1 帶攪拌器的反應(yīng)釜
在精細化工中要求對帶攪拌器的反應(yīng)釜進行液位監(jiān)控是非常常見的，反應(yīng)釜內(nèi)的物料多半為粘稠的漿料，并且在反應(yīng)過程中需要攪拌并進行加熱和降溫。在這種工況下，由于攪拌的影響，液位對罐壁產(chǎn)生的壓力不能正確反應(yīng)液位高度，且進料過程中幾種物料混合后的密度在不斷發(fā)生變化，所以不能使用差壓液位變送器進行液位測量。又由于有多重葉輪的攪拌，加上物料比較粘稠，所以伺服、磁致伸縮等接觸式液位計也不適合進行測量。

中石化上海催化劑分公司丙烯腈裝置項目中要求對催化劑原料反應(yīng)釜進行液位測量，該反應(yīng)釜高度為 2.5m，直徑為 1.8m，攪拌器帶有三層攪拌葉，一般雷達液位計很難將這類多層的葉輪所反射的雷達波作為干擾信號進行濾波。后試用了某公司推薦的一臺高頻雷達液位計后，液位測量非常穩(wěn)定。

該款雷達液位計的發(fā)射頻率為 80GHz，天線尺寸為80mm，雷達波的發(fā)射角僅為 3°。該反應(yīng)釜原來用頻率為 26GHz 的常規(guī)的雷達儀表，其雷達波的發(fā)射角為 10°，由于雷達信號聚焦不好，信號會打在攪拌葉上，產(chǎn)生很多的虛假信號，導(dǎo)致液位低于 1m 后因為虛假信號的干擾而無法正常測量。后采用高頻雷達液位計，由于其 80GHz 的發(fā)射頻率，發(fā)射角非常小，聚焦效果非常好，因此雷達信號可以很好地避開攪拌葉，液位能一直精確地測到罐底。

下圖為不同頻率下的雷達回波曲線，可以看出，80GHz的雷達在整個測量范圍內(nèi)，除了液位信號，沒有任何虛假信號產(chǎn)生。

2.2 含有大量泡沫液的酸堿廢水池
上海石化熱電部廢水處理項目中要求對廢酸池進行液位測量，該廢酸池含有很濃的泡沫，高度達 50cm 以上。由于廢酸池內(nèi)的腐蝕性很強，不宜采用接觸式頂裝液位計，而一般的雷達液位計，其雷達波信號又很難穿透泡沫測到液面。在實際施工中業(yè)主選用了一款高頻雷達液位計，由于其高聚焦和高動態(tài)范圍，雷達信號能很輕松地穿透泡沫，所以在實際應(yīng)用中，廢水的液位測量一直非常穩(wěn)定。下圖為泡沫厚度為 0.5m 的工況中不同頻率下的雷達回波曲線，可以看出，80GHz 的雷達的回波信號要大大強高于普通雷達液位計的回波信號，因而測量非常穩(wěn)定。

2.2 高溫油罐
上海石化儲運部二車間有幾臺容積為 10000m3的瀝青拱頂罐，原液位測量選用了普通雷達液位計。由于該儲罐內(nèi)部帶有蒸汽盤管加熱，罐內(nèi)溫度達到 150℃，油氣揮發(fā)十分嚴重。對于普通雷達液位計，其天線很容易粘附上瀝青蒸汽，一旦形成結(jié)晶，對雷達信號的發(fā)射和接收阻礙很大。同時常規(guī)雷達液位計聚焦差，信號動態(tài)范圍小，一旦信號傳播受阻，液位信號會變得非常弱，導(dǎo)致測量非常不穩(wěn)定。由于結(jié)晶的影響，天線每個星期還必須必須清理一次，給儀表維護帶來很大的麻煩。

業(yè)主曾經(jīng)改用 Saab 的拋物面天線雷達液位計 RTG3930，取得一定的效果，但是由于 RTG3930 的拋物面天線的直徑達到 440mm，在改造項目中設(shè)備開孔不方便，并且價格較高。后來試用了一款高頻雷達液位計，該款雷達采用半球形 PEEK塑封透鏡天線，使得天線與介質(zhì)接觸的表面積增大，即使形成很嚴重的結(jié)晶，也難以把整個天線覆蓋。同時，由于高聚焦性，動態(tài)范圍達到 120dB，因此其雷達信號非常強，即使結(jié)晶會阻擋大部分雷達信號，仍有很強的雷達信號會穿透結(jié)晶，測到液位。因此，對于高頻雷達液位計來說，結(jié)晶和粘附對測量不再發(fā)生影響，天線也無需定期清理，真正實現(xiàn)了免維護。此外，儀表在近距離對信號作了衰減處理，天線上的粘附很難形成虛假信號，因此虛假信號處理也不再需要，使得調(diào)試變得極其簡易。下圖為在高溫瀝青罐上不同頻率下的雷達回波曲線，可以看出，常規(guī)雷達的回波曲線受粘附物的干擾非常大，而 80GHz 的雷達的回波信號非常清晰，基本不受瀝青粘附的影響。

2.3 小型容器
在很多制藥和化工行業(yè)，需要對很多小型容器進行液位測量，有的容器高度僅為 200-300mm，采用差壓等方式根本無法測量。而普通的雷達雷達液位計由于天線本身的結(jié)構(gòu)，本身帶有 50mm 以上的盲區(qū)，在近天線處會產(chǎn)生較強的噪聲信號，因此近距離液位信號很容易被噪聲線所淹沒而無法測量。

高頻雷達液位計由于發(fā)射頻率是普通雷達液位計的 3 倍，在發(fā)射角不變的情況下，其天線面積可以縮小到 1/3，所以高頻雷達液位計的天線外螺紋尺寸可以做到 3/4”，因此可以在很小的容器上安裝。而且天線可以做到齊平塑封安裝，使得由天線產(chǎn)生的近距離噪音線達到最低，同時近距離的液位信號也變得更窄更強，即使液位接近天線也能被精確測出，最高液位可以測量到天線螺紋根部。

2.4 在帶壓球罐上安裝
在一些帶壓的球罐上液位儀表的安裝一般都帶有根部閥，以便于儀表維修，如私服液位計等。一般根部閥多為法蘭連接的全通徑球閥，閥體內(nèi)部有空隙，雷達波通過向下發(fā)射時會產(chǎn)生很大的干擾，導(dǎo)致測量時會產(chǎn)生很多虛假信號，所以常規(guī)雷達液位計一般都不安裝在球罐上。而高頻雷達液位計由于發(fā)射角極小，抗干擾能力強，在穿越諸如球閥等設(shè)備內(nèi)部時一般不受任何影響，使雷達液位計可以直接安裝在球罐本體進行液位測量。

3 應(yīng)用領(lǐng)域
目前雷達液位計在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，這主要得益于雷達技術(shù)的突飛猛進，相比于十年前，雷達液位計的測量穩(wěn)定性有了很大的提高。目前國際上一些知名的雷達液位計廠家都陸續(xù)推出了雷達發(fā)射波在 80GHz 左右甚至更高頻率的液位計。可以預(yù)計，在不久的將來，高頻雷達液位計以其優(yōu)越的性能將會越來越廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。