雷達液位計測量結果精準度進行最優化的調整措施

一、背景案例
2011年，山東長興油庫一座5萬立方浮頂罐安裝了新型雷達液位計，經過安裝技術人員的調試，將儀表的測量誤差范圍控制在規定的±3mm內，投入使用之后，設備一直處于穩定的工作狀態，測量的精準度基本都在規定的范圍之內。到了2013年底至2014年3月份，由于迎接相關部門的安全檢查，同時對于內部的不良設備進行淘汰升級，油庫進行了安全整治工程，更換了新油泵。到2014年4月中旬、新泵去投入運行之后，發現雷達液位計的測量結果與人工檢尺的產生了較大的偏差，最大竟然達到±60mm的誤差，遠遠超出規定的誤差范圍，對于油庫每天算量和每月末盤庫的準確性造成嚴重影響。產生這種測量誤差的原因是什么，在使用過程中如何及時發現儀表的測量問題及如何有效地解決問題，就是今天我們要探討的內容。

二、雷達液位計測量原理及特點
要解決問題，首先需要我們對雷達液位計的基本工作原理和工作參數的條件作一個了解。雷達液位計又稱微波液位計(Radar)，是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來的縮寫詞。微波物位計朝一個目標發射電磁波，電磁波井發射后返回發射源。安裝在發射源處的接收器捕獲到反射波，并把它與發射波作比較，確定目標的存在和它到發射源的距離。

目前市場常見的微波物位計采用的工作原理主要有FMCW（連續調頻）和脈沖兩種。
FMCW雷達液位計采用線性的調制的高頻信號，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號。它是一種基于復雜數學公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離。天線發射出被線性調制的連續高頻微波信號并進行掃描，同時接收返回信號。發射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質表面的距離成一定比例關系。

脈沖雷達液位計，與超聲波技術相似，使用時差原理計算到介質表面的距離。 設備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時間直接與到介質的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達使用的是電磁波。它利用好幾萬個脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖。

雷達液位計的典型波段為 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。

雷達液位計的增益系數和波束角的大小和微波的波長以及雷達液位計的喇叭口尺寸大小有關系。因此，越來越多的雷達液位計采用高頻率微波技術來改善雷達液位計的性能。同時，采用高頻技術后，可以在提高雷達性能的同時，大大縮小天線的尺寸，使安裝更加方便。

三、常見的儀表信號干擾源
電磁兼容性已成為工業過程測量和控制儀表的一項重要性能指標。由于測量和控制儀表總是和各類產生電磁干擾的設備工作在一起，因此不可避免地受電磁環境的影響。常見的干擾源主要分外部干擾和內部干擾兩大類。

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

3.2內部干擾
干擾有時也來自儀表內部，如電源變壓器、導線、印刷電路、電子元件之間的電感、電容或元器件內部的噪聲干擾。

4、誤差原因分析及確定
4.1基礎數據采集
2011年3月3日14點整開始，采用人工檢尺的辦法測出罐尺，再與SCADA系統上液位計所采集到的數據進行比較，比較得出雷達液位計存在±60mm的誤差，對其進行探討。
圖1 3月3日14點整測量6#罐液位后10秒雷達液位計示數。


4.2誤差具體原因推測
按照人員、機械設備、環境三個方面分析產生誤差的原因如下


圖2 原因分析圖
4.3誤差具體原因確定
針對每個可能原因，進行了討論分析，最終確定了主要原因是：泵區電磁場干擾雷達液位計的信號傳輸造成了液位計誤差過大。具體討論結果祥見表1
表1 要因確認表


五、消除誤差的方案優選及實施
5.1針對上述確定的要因和干擾源的主要特點，結合現場實際情況制定出如下幾種方案：
方案一、機柜端雷達液位信號線加裝信號過濾器；
優點：成本低、施工簡單、工期短，見效快。
缺點：需要專業技術人員選擇配套的信號過濾器。
方案二：泵區電纜溝內敷設一圈鐵絲網纏繞信號電纜；
優點：成本低，施工簡單、不需要專業的技術人員輔助。
缺點：工期長，見效慢。
方案三、雷達液位計的信號線改路由；
優點：見效快
缺點：成本高、施工難度大。

六、方案實施
按照制定好的對策，逐步逐條實施。
（1）據雷達液位計信號類型選擇相應的信號過濾器型號。
（2）訂購挑選的信號過濾器。
（3）按照過濾器說明書安裝信號過濾器。

七、實際效果檢查
信號過濾器安裝好了以后，我們對雷達液位計進行了檢測，采用雷達液位計示數和人工檢尺相比較的方法，得出2014年6月25日14點整測量6#罐液位后10秒內雷達液位計示數如圖3，并得出如下結論：
通過在機柜加裝信號濾波器的方法成功降低了6#罐液位誤差。
圖3 6月25日14點整測量6#罐液位后10秒雷達液位計示數

八、總結
8.1鞏固措施
（1）定期對雷達液位計和PLC進行保養；
（2）定期人工檢尺，檢查液位計測量值是否在規定范圍內；
（3）將信號過濾器說明書資料歸檔，以便今后查閱。
8.2提高與學習
通過此次對雷達液位計有了進一步的了解，成功解決了問題，降低了液位計的測量誤差，使我們得到了提高，獲得了解決實際問題的思路。
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