雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度進(jìn)行最優(yōu)化的調(diào)整措施

一、背景案例
2011年，山東長(zhǎng)興油庫(kù)一座5萬(wàn)立方浮頂罐安裝了新型雷達(dá)液位計(jì)，經(jīng)過(guò)安裝技術(shù)人員的調(diào)試，將儀表的測(cè)量誤差范圍控制在規(guī)定的±3mm內(nèi)，投入使用之后，設(shè)備一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，測(cè)量的精準(zhǔn)度基本都在規(guī)定的范圍之內(nèi)。到了2013年底至2014年3月份，由于迎接相關(guān)部門的安全檢查，同時(shí)對(duì)于內(nèi)部的不良設(shè)備進(jìn)行淘汰升級(jí)，油庫(kù)進(jìn)行了安全整治工程，更換了新油泵。到2014年4月中旬、新泵去投入運(yùn)行之后，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量結(jié)果與人工檢尺的產(chǎn)生了較大的偏差，最大竟然達(dá)到±60mm的誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)定的誤差范圍，對(duì)于油庫(kù)每天算量和每月末盤庫(kù)的準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重影響。產(chǎn)生這種測(cè)量誤差的原因是什么，在使用過(guò)程中如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀表的測(cè)量問(wèn)題及如何有效地解決問(wèn)題，就是今天我們要探討的內(nèi)容。

二、雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理及特點(diǎn)
要解決問(wèn)題，首先需要我們對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的基本工作原理和工作參數(shù)的條件作一個(gè)了解。雷達(dá)液位計(jì)又稱微波液位計(jì)(Radar)，是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來(lái)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(chǎng)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(cè)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(wàn)個(gè)脈沖來(lái) “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 5.8 GHz、10GHz 、24 GHz。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。

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(zhǎng)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(lái)越多的雷達(dá)液位計(jì)采用高頻率微波技術(shù)來(lái)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。

三、常見的儀表信號(hào)干擾源
電磁兼容性已成為工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制儀表的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。由于測(cè)量和控制儀表總是和各類產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備工作在一起，因此不可避免地受電磁環(huán)境的影響。常見的干擾源主要分外部干擾和內(nèi)部干擾兩大類。

3.1外部干擾
1）天體和天電的干擾
天體干擾是由太陽(yáng)或其他恒星輻射電磁波所產(chǎn)生的干擾。天電干擾是由雷電、大氣的電離作用、火山爆發(fā)及地震等自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的電磁波和空間電位變化所引起的干擾。
2）機(jī)械的干擾
機(jī)械的干擾是指由于機(jī)械的振動(dòng)或沖擊，使控制儀表中的電氣元件發(fā)生振動(dòng)、變形，使連接線發(fā)生位移，使指針發(fā)生抖動(dòng)、儀表接頭松動(dòng)等。對(duì)于機(jī)械類的干擾主要是采取減振措施來(lái)解決，例如采用減振彈簧、減振軟墊、隔板等。
3）熱的干擾
火電廠熱力設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動(dòng)和環(huán)境溫度的變化，都會(huì)引起控制儀表的電路元器件參數(shù)發(fā)生變化，從而影響控制儀表的正常工作。
4）光的干擾
在控制儀表中廣泛使用著各種半導(dǎo)體元件，這些半導(dǎo)體元件在光的作用下會(huì)改變其導(dǎo)電性能，從而影響控制儀表的正常工作。
5）濕度干擾
濕度過(guò)高會(huì)引起絕緣體的絕緣電阻下降，漏電流增加；電介質(zhì)的介電系數(shù)增加，電容量增加；吸潮后骨架膨脹使線圈阻值增加，電感器變化；應(yīng)變片黏貼后，膠質(zhì)變軟，精度下降等。
6）化學(xué)的干擾
酸、堿、鹽等化學(xué)物品以及其他腐蝕性氣體，除了具有化學(xué)腐蝕性作用將會(huì)損壞儀器設(shè)備和元器件外，又能與金屬導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)電動(dòng)勢(shì)，從而影響控制儀表的正常工作。
7）電和磁的干擾

3.2內(nèi)部干擾
干擾有時(shí)也來(lái)自儀表內(nèi)部，如電源變壓器、導(dǎo)線、印刷電路、電子元件之間的電感、電容或元器件內(nèi)部的噪聲干擾。

4、誤差原因分析及確定
4.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集
2011年3月3日14點(diǎn)整開始，采用人工檢尺的辦法測(cè)出罐尺，再與SCADA系統(tǒng)上液位計(jì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較得出雷達(dá)液位計(jì)存在±60mm的誤差，對(duì)其進(jìn)行探討。
圖1 3月3日14點(diǎn)整測(cè)量6#罐液位后10秒雷達(dá)液位計(jì)示數(shù)。


4.2誤差具體原因推測(cè)
按照人員、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境三個(gè)方面分析產(chǎn)生誤差的原因如下


圖2 原因分析圖
4.3誤差具體原因確定
針對(duì)每個(gè)可能原因，進(jìn)行了討論分析，最終確定了主要原因是：泵區(qū)電磁場(chǎng)干擾雷達(dá)液位計(jì)的信號(hào)傳輸造成了液位計(jì)誤差過(guò)大。具體討論結(jié)果祥見表1
表1 要因確認(rèn)表


五、消除誤差的方案優(yōu)選及實(shí)施
5.1針對(duì)上述確定的要因和干擾源的主要特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定出如下幾種方案：
方案一、機(jī)柜端雷達(dá)液位信號(hào)線加裝信號(hào)過(guò)濾器；
優(yōu)點(diǎn)：成本低、施工簡(jiǎn)單、工期短，見效快。
缺點(diǎn)：需要專業(yè)技術(shù)人員選擇配套的信號(hào)過(guò)濾器。
方案二：泵區(qū)電纜溝內(nèi)敷設(shè)一圈鐵絲網(wǎng)纏繞信號(hào)電纜；
優(yōu)點(diǎn)：成本低，施工簡(jiǎn)單、不需要專業(yè)的技術(shù)人員輔助。
缺點(diǎn)：工期長(zhǎng)，見效慢。
方案三、雷達(dá)液位計(jì)的信號(hào)線改路由；
優(yōu)點(diǎn)：見效快
缺點(diǎn)：成本高、施工難度大。

六、方案實(shí)施
按照制定好的對(duì)策，逐步逐條實(shí)施。
（1）據(jù)雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)類型選擇相應(yīng)的信號(hào)過(guò)濾器型號(hào)。
（2）訂購(gòu)挑選的信號(hào)過(guò)濾器。
（3）按照過(guò)濾器說(shuō)明書安裝信號(hào)過(guò)濾器。

七、實(shí)際效果檢查
信號(hào)過(guò)濾器安裝好了以后，我們對(duì)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行了檢測(cè)，采用雷達(dá)液位計(jì)示數(shù)和人工檢尺相比較的方法，得出2014年6月25日14點(diǎn)整測(cè)量6#罐液位后10秒內(nèi)雷達(dá)液位計(jì)示數(shù)如圖3，并得出如下結(jié)論：
通過(guò)在機(jī)柜加裝信號(hào)濾波器的方法成功降低了6#罐液位誤差。
圖3 6月25日14點(diǎn)整測(cè)量6#罐液位后10秒雷達(dá)液位計(jì)示數(shù)

八、總結(jié)
8.1鞏固措施
（1）定期對(duì)雷達(dá)液位計(jì)和PLC進(jìn)行保養(yǎng)；
（2）定期人工檢尺，檢查液位計(jì)測(cè)量值是否在規(guī)定范圍內(nèi)；
（3）將信號(hào)過(guò)濾器說(shuō)明書資料歸檔，以便今后查閱。
8.2提高與學(xué)習(xí)
通過(guò)此次對(duì)雷達(dá)液位計(jì)有了進(jìn)一步的了解，成功解決了問(wèn)題，降低了液位計(jì)的測(cè)量誤差，使我們得到了提高，獲得了解決實(shí)際問(wèn)題的思路。
本文由潤(rùn)中儀表科技有限公司整理發(fā)布。