雷達(dá)液位計(jì)構(gòu)造及故障處理

摘要：雷達(dá)液位計(jì)雖然是一種高精度的可以達(dá)到毫米級的液位檢測儀表，沒有可動部件使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際使用中會遇到各種各樣的問題，這些故障問題不同于其他的液位測量儀表，偏離真實(shí)值只是一個(gè)很小的范圍。雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)問題就是災(zāi)難性的，不是*大就是*小，不是死數(shù)就是不變，因此雷達(dá)液位計(jì)在實(shí)際使用中的維修技能必須要熟練掌握，希望此文對于使用雷達(dá)液位計(jì)的人員有所幫助。

前言

雷達(dá)是利用電磁波傳播過程中折射性和快速性而研發(fā)的一種空間測距電子儀器，*初用于國防及航空導(dǎo)航。隨著科學(xué)技術(shù)的推廣，雷達(dá)逐漸用于工業(yè)和民用領(lǐng)域，并衍生出眾多型號產(chǎn)品，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中液位測量的雷達(dá)液位計(jì)就是其中的一類。

1.雷達(dá)液位計(jì)測量原理

雷達(dá)液位計(jì)的測量原理和軍工中的雷達(dá)一樣，都是通過電磁波的直線傳播特性測量周圍空間的凈空距離，即被測物體距離雷達(dá)的直線空間距離，具體到工業(yè)生產(chǎn)中就是液體的液面到雷達(dá)天線的空高。通過對雷達(dá)液位計(jì)組態(tài)可設(shè)定雷達(dá)天線到容器底部的垂直距離，根據(jù)已經(jīng)測得的液面空高就可計(jì)算出液體的液位高度。

現(xiàn)場使用的雷達(dá)液位計(jì)測量污水池的液位

測量原理公式為H=L-CT/2

C為電磁波的波速即光速， T為電磁波從發(fā)射到接收所用到的時(shí)間，L為雷達(dá)天線距離容器的*低端的垂直高度，H為被測液體的高度。

工業(yè)中的液位檢測不同于軍工航空動輒幾十上百千米的空間測距，生產(chǎn)中的液位檢測距離都較小，高范圍的儲罐液位檢測也就一二十米的垂直高度，這樣的距離空間相對于光速傳播的電磁波來說可以忽略不計(jì)，于是上述的測量方式很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿祟悷o法制造出不用時(shí)間的電路處理儀表。

為使雷達(dá)測距應(yīng)用于工業(yè)中的液位檢測，生產(chǎn)廠商使用了高頻的無線電波，使用線性調(diào)頻連續(xù)測距的方法，讓天線發(fā)射的電磁波的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行改變，接收器接收到的反射電磁波頻率與此時(shí)的天線發(fā)射頻率是不同的，通過計(jì)算兩者的頻率差，換算得出電磁波在空間傳播的時(shí)間，從而能夠計(jì)算出被測液位的高度。

2.雷達(dá)液位計(jì)的構(gòu)造

不同廠商所生產(chǎn)的雷達(dá)液位計(jì)形式各異，但總體的部件大體是一致的，其主要包括電路部分（雷達(dá)波發(fā)生器、信號檢測、信號處理），天線及接收器和安裝附件表體三大部分。根據(jù)天線的不同，雷達(dá)液位計(jì)可分為導(dǎo)波雷達(dá)和普通雷達(dá)兩大類型。

3.導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)是在電磁波發(fā)射器的下方安裝了一個(gè)金屬導(dǎo)波體，讓高頻的無線電波沿著金屬體垂直向下傳播，當(dāng)電磁波碰到被測物質(zhì)的液面時(shí)，電磁波會在接觸面反射，沿著波導(dǎo)體垂直的返回到雷達(dá)液位計(jì)天線內(nèi)部的接收器中，然后處理電路進(jìn)行分析計(jì)算，得出被測液體的液面高度。根據(jù)金屬導(dǎo)波體的不同，導(dǎo)波雷達(dá)又分為纜式和桿式兩大類。

纜式導(dǎo)波雷達(dá)的導(dǎo)波體為一個(gè)柔性的不銹鋼金屬繩，其末端栓一金屬重物，以保證金屬繩在被測液體中垂直的伸入到容器底部，防止金屬繩在使用中漂浮擺動而彎曲。這樣結(jié)構(gòu)的雷達(dá)液位計(jì)主要用于底下罐、零位罐等地面以下的液位測量中。

現(xiàn)場使用的導(dǎo)波雷達(dá)如圖所示：

桿式導(dǎo)波雷達(dá)的波導(dǎo)體根據(jù)導(dǎo)波桿及天線的不同又分為很多種，有金屬桿式的導(dǎo)波雷達(dá)，有通過金屬管的喇叭天線式的導(dǎo)波雷達(dá)，有帶有旁通測量筒的導(dǎo)波雷達(dá)。這些導(dǎo)波雷達(dá)主要用于高出地面的儲罐液位測量或生產(chǎn)設(shè)備塔器儲罐可以側(cè)裝旁通管的液位測量。

4.普通雷達(dá)液位計(jì)

普通雷達(dá)液位計(jì)的天線，只是一個(gè)電磁波的發(fā)射接受裝置，其電磁波發(fā)射后通過氣相自由傳播，由于雷達(dá)液位計(jì)電磁波為高頻的微波信號發(fā)散傳播性差，而且被測液體距離雷達(dá)液位計(jì)的高度小，其電磁波傳播過程可看成垂直傳播，因此這種雷達(dá)液位計(jì)滿足液位測距要求。相對于導(dǎo)波雷達(dá)少了導(dǎo)波體節(jié)省費(fèi)用方便安裝，在儲罐等較高液位測量中得到大量的應(yīng)用。

根據(jù)天線的不同生產(chǎn)廠商制作了不同型號的雷達(dá)液位計(jì)，以適應(yīng)不同工況環(huán)境。廠里使用的普通雷達(dá)液位計(jì)的天線有喇叭口、水滴形（防液體揮發(fā)凝結(jié)）、偏心型（防多重反射電磁波干擾）、寬口喇叭口（防氣相介質(zhì)衰減電磁波）四種類型。

普通雷達(dá)液位計(jì)主要用在儲罐液位檢測中，現(xiàn)場安裝及天線如圖：

電路處理部分

根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)處理電路的復(fù)雜程度，雷達(dá)液位計(jì)分為單路測量的普通模式和多重處理信號的總線模式。多重信號處理不僅能處理雷達(dá)電磁波測距的液位信號也可處理熱電阻的溫度測量信號，并可通過總線的方式把多臺雷達(dá)液位計(jì)連接起來，通過一根總線遠(yuǎn)傳到控制室內(nèi)。適用于儲罐眾多布局分散的大中型儲罐系統(tǒng)的液位測量，節(jié)約了傳輸線纜的鋪設(shè)和費(fèi)用。

總線式雷達(dá)液位計(jì)如圖所示：

5.雷達(dá)液位計(jì)故障分析及處理

雷達(dá)液位計(jì)從測量原理上看是一種高精度的測距儀表，雷達(dá)液位計(jì)制造廠商也大肆介紹雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，如可用于工藝過程中揮發(fā)性氣體、高溫、高壓、蒸汽、真空及高粉塵等惡劣環(huán)境的要求，可對不同料位進(jìn)行連續(xù)測量，但實(shí)際使用中雷達(dá)液位計(jì)常出現(xiàn)很多問題甚至失靈無法使用。

6.雷達(dá)液位計(jì)電磁波選取依據(jù)

由雷達(dá)液位計(jì)的測量原理可見，雷達(dá)液位計(jì)測量過程中的核心是電磁波傳播過程中頻率波的改變范圍，因此天線所接受的雷達(dá)波的頻率，是液位測量的關(guān)鍵依據(jù)。

雷達(dá)液位計(jì)在使用中天線到被測液體的液面的空間凈空中，充斥著各種頻率的電磁波，這些電磁波大部分都會通過各種反射、折射傳播到天線內(nèi)部的接收器中，因此雷達(dá)液位計(jì)的接收器接收到的電磁波是一系列的大量的不同頻率的電磁波。

怎樣從這雜亂的電磁波中選出真實(shí)的液面反射來的電磁波，是雷達(dá)液位計(jì)能否準(zhǔn)確測量液位的關(guān)鍵，這就需要一個(gè)選頻電路。選頻電路選擇的依據(jù)是根據(jù)接受到的電磁波的能量來進(jìn)行衡量。

電磁波在傳播過程中受氣相介質(zhì)，被測介質(zhì)的反射折射，金屬容器壁等物質(zhì)的碰撞吸收，能量會不斷減弱，反射的次數(shù)越多能量損失越大，經(jīng)過的距離越長能量損失越大。由于電磁波是垂直于被測液體的液面發(fā)射，其電磁波在被測液面的反射率*大（折射率*?。?，可近似為全反射，其在被測液體液面的能量損失，是所有電磁波回波損失*小的。垂直于被測液面的空間距離是所有電磁波傳播中*短的距離，這個(gè)反射的電磁波在氣相空間傳播中能量損失也是*小的，由此兩點(diǎn)被測液位反射回來的電磁波的能量是所有電磁波頻譜中*大的，由此雷達(dá)液位計(jì)的選頻電路得出被測液體的空高，從而計(jì)算得出被測液體的高度。

7.雷達(dá)液位計(jì)使用中的問題

雷達(dá)液位計(jì)電磁波選頻可以知道，返回接收器的電磁波的能量大小是雷達(dá)液位計(jì)選用電磁波頻率的依據(jù)，從而決定著雷達(dá)液位計(jì)測量的準(zhǔn)確性。如果正常使用中，被測液體所反射的電磁波的能量不是*高的電磁波，那么雷達(dá)液位計(jì)就會選用其他的不真實(shí)的電磁波頻譜，此時(shí)就會造成被測液位失真。

造成這種現(xiàn)象的原因，大體可以歸為以下幾點(diǎn)：

一、被測液體與雷達(dá)天線之間的凈空中有較大面積的反射物，致使電磁波在到達(dá)液面之前被反射。造成這種現(xiàn)象的原因主要為：

1、被測容器內(nèi)部有攪拌器、加熱盤管、管線等金屬物體，如果這些金屬體裸露在被測液體的外部，而且正處于電磁波垂直傳播的方向，如攪拌機(jī)旋轉(zhuǎn)中的漿液轉(zhuǎn)動，就會造成電磁波被提前反射回來，而造成被測液位偏高。

2、雷達(dá)液位計(jì)安裝地點(diǎn)距離容器壁太近或不垂直與被測液面，使電磁波在傳播中照射到容器內(nèi)壁而提前反射回來；電磁波在被測液面反射過程中沒有原路返回（斜射時(shí)），致使雷達(dá)液位計(jì)檢測不到反射電磁波；液面反射的電磁波經(jīng)多重反射能量損失過多，而沒有被選頻電路選中，以上多種情況造成雷達(dá)液位計(jì)測量失真。

二、波導(dǎo)體（繩纜、桿）上有掛料，電磁波沿著波導(dǎo)體傳播中，在沒有到達(dá)液面前遇到波導(dǎo)體上面的掛料而反射回來，產(chǎn)生虛假液位。安裝的波導(dǎo)管不垂直與雷達(dá)液位計(jì)，造成電磁波斜射到波導(dǎo)管的內(nèi)壁，而產(chǎn)生如同容器內(nèi)壁一樣的反射或多重反射而使測量失真。

三、被測液體與雷達(dá)天線之間的凈空中，氣相介質(zhì)蒸汽濃度太大，致使電磁波在空間傳播中，能量損失太大，甚至反射波根本到達(dá)不了雷達(dá)液位計(jì)的接收器。

被測液體有加熱要求，上部安裝攪拌機(jī)的情況下尤其嚴(yán)重，由于被測液體在加熱攪拌中不斷有蒸汽揮發(fā)，會造成液面以上的空間中充滿了高濃度的介質(zhì)蒸汽，其微小的液體顆粒不僅對電磁波產(chǎn)生漫反射而且會吸收大量的電磁波能量，使電磁波出現(xiàn)很大衰減，造成雷達(dá)天線無法接受回波信號。

被測液體揮發(fā)附著在天線上，造成雷達(dá)失靈甚至天線損壞，現(xiàn)場如圖：

被測液體中含有水份時(shí)，揮發(fā)的水蒸氣對于電磁波的吸能更加嚴(yán)重。由于水汽具有易冷凝的特性，氣相空間含有的水汽在罐頂罐壁附近會逐漸冷凝，積聚在一起形成較大的水汽滴，充斥在液位上方的空間里，對于電磁波具有強(qiáng)烈的吸能作用，致使電磁波的能量衰減過大無法到達(dá)雷達(dá)接收器，造成雷達(dá)液位計(jì)徹底失去工作能力。

四、雷達(dá)液位計(jì)天線附著贓物，致使電磁波剛剛發(fā)射出就被反射回來，甚至根本發(fā)射不出去。這樣的狀況即使使用防凝結(jié)的水滴形天線，也無法避免雷達(dá)液位計(jì)的突然失靈。

雷達(dá)液位計(jì)天線附著贓物是被測介質(zhì)揮發(fā)的升級加重，被測液體凈空中大量充斥著氣相蒸汽，其會附著在雷達(dá)液位計(jì)的天線上，特別是易冷凝的高粘介質(zhì)，雷達(dá)液位計(jì)安裝在儲罐頂部溫度較低，揮發(fā)的介質(zhì)蒸汽*易在雷達(dá)天線上凝析附著，造成電磁波發(fā)射困難，情況嚴(yán)重時(shí)介質(zhì)甚至在天線上結(jié)焦，損壞天線。

同樣被測介質(zhì)含有水份時(shí)，水汽易在天線上附著，致使電磁波發(fā)射不出去，使雷達(dá)液位計(jì)徹底失靈。

五、雷達(dá)液位計(jì)電路中的保護(hù)措施。雷達(dá)液位計(jì)是一種高科技的測量儀表價(jià)格昂貴，處于對儀表本身安全防護(hù)的需要，制造廠商普遍在電路中設(shè)置了很多保護(hù)措施，如超溫保護(hù)、低電壓保護(hù)，高液位保護(hù)，運(yùn)行故障保護(hù)以及數(shù)據(jù)保持，錯誤鎖定等液位檢測防護(hù)措施。這些防護(hù)措施在日常使用中，如果雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)問題，安全保護(hù)就會動作，造成雷達(dá)液位計(jì)停止工作，此時(shí)需要查找故障原因，清除恢復(fù)后雷達(dá)液位計(jì)才能正常使用。防護(hù)功能隨廠商不同而設(shè)置，集成度高的防護(hù)措施多。如總線式的多功能雷達(dá)液位計(jì)，其本身的防護(hù)措施就非常多，日常維護(hù)要非常熟悉。

8.雷達(dá)液位計(jì)故障及處理

雷達(dá)液位計(jì)在日常使用中常常會出現(xiàn)故障，其出現(xiàn)故障大體分為四種類型：數(shù)據(jù)不變，數(shù)據(jù)突然*大，數(shù)據(jù)突然為零，數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值過大或過小且保持不變。這些故障沒有根除的方法，只能是出現(xiàn)問題針對性的進(jìn)行解決。根據(jù)日常維修維護(hù)的工作經(jīng)驗(yàn)，本著先易后難的順序歸納如下：

1、斷電重啟

雷達(dá)液位計(jì)本身有很多防護(hù)功能，如果正常運(yùn)行中雷達(dá)液位計(jì)自身出現(xiàn)故障保護(hù)，可進(jìn)行斷電重啟，此時(shí)雷達(dá)液位計(jì)內(nèi)部的故障有可能消除，重新上電后恢復(fù)正常。這種處理方法適用于高液位測量的儲罐雷達(dá)液位計(jì)的維修。畢竟十多米高的儲罐，爬到罐頂上處理雷達(dá)液位計(jì)不是一個(gè)簡單的事情，能在地面解決的先解決。

2、通過面板消除故障

如果斷電重啟仍然不能消除故障，要到現(xiàn)場實(shí)際查看故障，通過雷達(dá)液位計(jì)面板*先觀察有無錯誤代碼，有無故障保護(hù)措施，如果有通過面板清除，重啟后觀察雷達(dá)液位計(jì)是否正常。

3、做空頻譜

雷達(dá)液位計(jì)的測量原理是檢測接受到的電磁波頻譜，若被測液體與雷達(dá)天線之間的凈空中有較強(qiáng)的電磁波反射或干擾，那么雷達(dá)液位計(jì)*有可能把這反射的雷達(dá)波作為真實(shí)液面的雷達(dá)反射波來處理，從而得出錯誤的液位顯示。

雷達(dá)液位計(jì)空頻譜操作比較簡單，可在現(xiàn)場面板處進(jìn)行設(shè)定，若現(xiàn)場沒有操作面板則需使用帶有雷達(dá)軟件的電腦進(jìn)行操作?，F(xiàn)場操作如圖所示：

處理這種故障可利用雷達(dá)液位計(jì)內(nèi)部的軟件功能，進(jìn)行空頻譜的檢測。設(shè)定一個(gè)高于實(shí)際液面的空高距離，讓雷達(dá)液位計(jì)檢測空高中的所有反射的電磁波頻譜，把那些接收到的高能量的頻譜電磁波在電路中屏蔽濾掉，就可把真實(shí)的液面反射的電磁波檢波出來，從而得到真實(shí)的液位。

1、拆卸雷達(dá)液位計(jì)，擦拭天線

這是雷達(dá)液位計(jì)*后的處理步驟，如果前面3種處理方法仍無法消除雷達(dá)液位計(jì)的故障，則需拆卸雷達(dá)液位計(jì)，查看天線的臟污狀況，并進(jìn)行清洗除污。之所以這是*后的手段，是因?yàn)楝F(xiàn)場使用的雷達(dá)液位計(jì)所測介質(zhì)通常含有對人體有害的物質(zhì)，萬不得已不要拆卸。拆卸雷達(dá)液位計(jì)時(shí)，要做好安全防護(hù)措施，提前找一個(gè)蓋板，用來堵住雷達(dá)液位計(jì)安裝口，減少被測物質(zhì)的蒸汽揮發(fā)，必要時(shí)要戴好防毒面具或呼吸器。

9.綜述

雷達(dá)液位計(jì)雖然是一種高精度的可以達(dá)到毫米級的液位檢測儀表，沒有可動部件使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際使用中會遇到各種各樣的問題，這些故障問題不同于其他的液位測量儀表，偏離真實(shí)值只是一個(gè)很小的范圍。雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)問題就是災(zāi)難性的，不是*大就是*小，不是死數(shù)就是不變，因此雷達(dá)液位計(jì)在實(shí)際使用中的維修技能必須要熟練掌握，希望此文對于使用雷達(dá)液位計(jì)的人員有所幫助。

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