雷達液位計構造及故障處理
摘要：雷達液位計雖然是一種高精度的可以達到毫米級的液位檢測儀表，沒(méi)有可動(dòng)部件使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際使用中會(huì )遇到各種各樣的問(wèn)題，這些故障問(wèn)題不同于其他的液位測量?jì)x表，偏離真實(shí)值只是一個(gè)很小的范圍。雷達液位計出現問(wèn)題就是災難性的，不是最大就是最小，不是死數就是不變，因此雷達液位計在實(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液位計的人員有所幫助。
前言
雷達是利用電磁波傳播過(guò)程中折射性和快速性而研發(fā)的一種空間測距電子儀器，最初用于國防及航空導航。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的推廣，雷達逐漸用于工業(yè)和民用領(lǐng)域，并衍生出眾多型號產(chǎn)品，應用于工業(yè)生產(chǎn)中液位測量的雷達液位計就是其中的一類(lèi)。
1.雷達液位計測量原理
雷達液位計的測量原理和軍工中的雷達一樣，都是通過(guò)電磁波的直線(xiàn)傳播特性測量周?chē)臻g的凈空距離，即被測物體距離雷達的直線(xiàn)空間距離，具體到工業(yè)生產(chǎn)中就是液體的液面到雷達天線(xiàn)的空高。通過(guò)對雷達液位計組態(tài)可設定雷達天線(xiàn)到容器底部的垂直距離，根據已經(jīng)測得的液面空高就可計算出液體的液位高度。
現場(chǎng)使用的雷達液位計測量污水池的液位
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為雷達天線(xiàn)距離容器的最低端的垂直高度，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(dòng)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(lái)說(shuō)可以忽略不計，于是上述的測量方式很難實(shí)現，因為人類(lèi)無(wú)法制造出不用時(shí)間的電路處理儀表。
為使雷達測距應用于工業(yè)中的液位檢測，生產(chǎn)廠(chǎng)商使用了高頻的無(wú)線(xiàn)電波，使用線(xiàn)性調頻連續測距的方法，讓天線(xiàn)發(fā)射的電磁波的頻率隨著(zhù)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(xiàn)發(fā)射頻率是不同的，通過(guò)計算兩者的頻率差，換算得出電磁波在空間傳播的時(shí)間，從而能夠計算出被測液位的高度。
2.雷達液位計的構造
不同廠(chǎng)商所生產(chǎn)的雷達液位計形式各異，但總體的部件大體是一致的，其主要包括電路部分（雷達波發(fā)生器、信號檢測、信號處理），天線(xiàn)及接收器和安裝附件表體三大部分。根據天線(xiàn)的不同，雷達液位計可分為導波雷達和普通雷達兩大類(lèi)型。
3.導波雷達液位計
導波雷達是在電磁波發(fā)射器的下方安裝了一個(gè)金屬導波體，讓高頻的無(wú)線(xiàn)電波沿著(zhù)金屬體垂直向下傳播，當電磁波碰到被測物質(zhì)的液面時(shí)，電磁波會(huì )在接觸面反射，沿著(zhù)波導體垂直的返回到雷達液位計天線(xiàn)內部的接收器中，然后處理電路進(jìn)行分析計算，得出被測液體的液面高度。根據金屬導波體的不同，導波雷達又分為纜式和桿式兩大類(lèi)。
纜式導波雷達的導波體為一個(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(dòng)而彎曲。這樣結構的雷達液位計主要用于底下罐、零位罐等地面以下的液位測量中。
現場(chǎng)使用的導波雷達如圖所示：
桿式導波雷達的波導體根據導波桿及天線(xiàn)的不同又分為很多種，有金屬桿式的導波雷達，有通過(guò)金屬管的喇叭天線(xiàn)式的導波雷達，有帶有旁通測量筒的導波雷達。這些導波雷達主要用于高出地面的儲罐液位測量或生產(chǎn)設備塔器儲罐可以側裝旁通管的液位測量。
4.普通雷達液位計
普通雷達液位計的天線(xiàn)，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(guò)氣相自由傳播，由于雷達液位計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液位計的高度小，其電磁波傳播過(guò)程可看成垂直傳播，因此這種雷達液位計滿(mǎn)足液位測距要求。相對于導波雷達少了導波體節省費用方便安裝，在儲罐等較高液位測量中得到大量的應用。
根據天線(xiàn)的不同生產(chǎn)廠(chǎng)商制作了不同型號的雷達液位計，以適應不同工況環(huán)境。廠(chǎng)里使用的普通雷達液位計的天線(xiàn)有喇叭口、水滴形（防液體揮發(fā)凝結）、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(lèi)型。
普通雷達液位計主要用在儲罐液位檢測中，現場(chǎng)安裝及天線(xiàn)如圖：
電路處理部分
根據雷達液位計處理電路的復雜程度，雷達液位計分為單路測量的普通模式和多重處理信號的總線(xiàn)模式。多重信號處理不僅能處理雷達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(guò)總線(xiàn)的方式把多臺雷達液位計連接起來(lái)，通過(guò)一根總線(xiàn)遠傳到控制室內。適用于儲罐眾多布局分散的大中型儲罐系統的液位測量，節約了傳輸線(xiàn)纜的鋪設和費用。
總線(xiàn)式雷達液位計如圖所示：
5.雷達液位計故障分析及處理
雷達液位計從測量原理上看是一種高精度的測距儀表，雷達液位計制造廠(chǎng)商也大肆介紹雷達液位計的優(yōu)點(diǎn)，如可用于工藝過(guò)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)行連續測量，但實(shí)際使用中雷達液位計常出現很多問(wèn)題甚至失靈無(wú)法使用。
6.雷達液位計電磁波選取依據
由雷達液位計的測量原理可見(jiàn)，雷達液位計測量過(guò)程中的核心是電磁波傳播過(guò)程中頻率波的改變范圍，因此天線(xiàn)所接受的雷達波的頻率，是液位測量的關(guān)鍵依據。
雷達液位計在使用中天線(xiàn)到被測液體的液面的空間凈空中，充斥著(zhù)各種頻率的電磁波，這些電磁波大部分都會(huì )通過(guò)各種反射、折射傳播到天線(xiàn)內部的接收器中，因此雷達液位計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(lái)的電磁波，是雷達液位計能否準確測量液位的關(guān)鍵，這就需要一個(gè)選頻電路。選頻電路選擇的依據是根據接受到的電磁波的能量來(lái)進(jìn)行衡量。
電磁波在傳播過(guò)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(huì )不斷減弱，反射的次數越多能量損失越大，經(jīng)過(guò)的距離越長(cháng)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最大（折射率最?。?，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最小的。垂直于被測液面的空間距離是所有電磁波傳播中最短的距離，這個(gè)反射的電磁波在氣相空間傳播中能量損失也是最小的，由此兩點(diǎn)被測液位反射回來(lái)的電磁波的能量是所有電磁波頻譜中最大的，由此雷達液位計的選頻電路得出被測液體的空高，從而計算得出被測液體的高度。
7.雷達液位計使用中的問(wèn)題
雷達液位計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液位計選用電磁波頻率的依據，從而決定著(zhù)雷達液位計測量的準確性。如果正常使用中，被測液體所反射的電磁波的能量不是最高的電磁波，那么雷達液位計就會(huì )選用其他的不真實(shí)的電磁波頻譜，此時(shí)就會(huì )造成被測液位失真。
造成這種現象的原因，大體可以歸為以下幾點(diǎn)：
一、被測液體與雷達天線(xiàn)之間的凈空中有較大面積的反射物，致使電磁波在到達液面之前被反射。造成這種現象的原因主要為：
1、被測容器內部有攪拌器、加熱盤(pán)管、管線(xiàn)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，如攪拌機旋轉中的漿液轉動(dòng)，就會(huì )造成電磁波被提前反射回來(lái)，而造成被測液位偏高。
2、雷達液位計安裝地點(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壁而提前反射回來(lái)；電磁波在被測液面反射過(guò)程中沒(méi)有原路返回（斜射時(shí)），致使雷達液位計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(guò)多，而沒(méi)有被選頻電路選中，以上多種情況造成雷達液位計測量失真。
二、波導體（繩纜、桿）上有掛料，電磁波沿著(zhù)波導體傳播中，在沒(méi)有到達液面前遇到波導體上面的掛料而反射回來(lái)，產(chǎn)生虛假液位。安裝的波導管不垂直與雷達液位計，造成電磁波斜射到波導管的內壁，而產(chǎn)生如同容器內壁一樣的反射或多重反射而使測量失真。
三、被測液體與雷達天線(xiàn)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不了雷達液位計的接收器。
被測液體有加熱要求，上部安裝攪拌機的情況下尤其嚴重，由于被測液體在加熱攪拌中不斷有蒸汽揮發(fā)，會(huì )造成液面以上的空間中充滿(mǎn)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(huì )吸收大量的電磁波能量，使電磁波出現很大衰減，造成雷達天線(xiàn)無(wú)法接受回波信號。
被測液體揮發(fā)附著(zhù)在天線(xiàn)上，造成雷達失靈甚至天線(xiàn)損壞，現場(chǎng)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(huì )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，對于電磁波具有強烈的吸能作用，致使電磁波的能量衰減過(guò)大無(wú)法到達雷達接收器，造成雷達液位計徹底失去工作能力。
四、雷達液位計天線(xiàn)附著(zhù)贓物，致使電磁波剛剛發(fā)射出就被反射回來(lái)，甚至根本發(fā)射不出去。這樣的狀況即使使用防凝結的水滴形天線(xiàn)，也無(wú)法避免雷達液位計的突然失靈。
雷達液位計天線(xiàn)附著(zhù)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(zhù)氣相蒸汽，其會(huì )附著(zhù)在雷達液位計的天線(xiàn)上，特別是易冷凝的高粘介質(zhì)，雷達液位計安裝在儲罐頂部溫度較低，揮發(fā)的介質(zhì)蒸汽極易在雷達天線(xiàn)上凝析附著(zhù)，造成電磁波發(fā)射困難，情況嚴重時(shí)介質(zhì)甚至在天線(xiàn)上結焦，損壞天線(xiàn)。
同樣被測介質(zhì)含有水份時(shí)，水汽易在天線(xiàn)上附著(zhù)，致使電磁波發(fā)射不出去，使雷達液位計徹底失靈。
五、雷達液位計電路中的保護措施。雷達液位計是一種高科技的測量?jì)x表價(jià)格昂貴，處于對儀表本身安全防護的需要，制造廠(chǎng)商普遍在電路中設置了很多保護措施，如超溫保護、低電壓保護，高液位保護，運行故障保護以及數據保持，錯誤鎖定等液位檢測防護措施。這些防護措施在日常使用中，如果雷達液位計出現問(wèn)題，安全保護就會(huì )動(dòng)作，造成雷達液位計停止工作，此時(shí)需要查找故障原因，清除恢復后雷達液位計才能正常使用。防護功能隨廠(chǎng)商不同而設置，集成度高的防護措施多。如總線(xiàn)式的多功能雷達液位計，其本身的防護措施就非常多，日常維護要非常熟悉。
8.雷達液位計故障及處理
雷達液位計在日常使用中常常會(huì )出現故障，其出現故障大體分為四種類(lèi)型：數據不變，數據突然最大，數據突然為零，數據偏離實(shí)際值過(guò)大或過(guò)小且保持不變。這些故障沒(méi)有根除的方法，只能是出現問(wèn)題針對性的進(jìn)行解決。根據日常維修維護的工作經(jīng)驗，本著(zhù)先易后難的順序歸納如下：
1、斷電重啟
雷達液位計本身有很多防護功能，如果正常運行中雷達液位計自身出現故障保護，可進(jìn)行斷電重啟，此時(shí)雷達液位計內部的故障有可能消除，重新上電后恢復正常。這種處理方法適用于高液位測量的儲罐雷達液位計的維修。畢竟十多米高的儲罐，爬到罐頂上處理雷達液位計不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情，能在地面解決的先解決。
2、通過(guò)面板消除故障
如果斷電重啟仍然不能消除故障，要到現場(chǎng)實(shí)際查看故障，通過(guò)雷達液位計面板首先觀(guān)察有無(wú)錯誤代碼，有無(wú)故障保護措施，如果有通過(guò)面板清除，重啟后觀(guān)察雷達液位計是否正常。
3、做空頻譜
雷達液位計的測量原理是檢測接受到的電磁波頻譜，若被測液體與雷達天線(xiàn)之間的凈空中有較強的電磁波反射或干擾，那么雷達液位計極有可能把這反射的雷達波作為真實(shí)液面的雷達反射波來(lái)處理，從而得出錯誤的液位顯示。
雷達液位計空頻譜操作比較簡(jiǎn)單，可在現場(chǎng)面板處進(jìn)行設定，若現場(chǎng)沒(méi)有操作面板則需使用帶有雷達軟件的電腦進(jìn)行操作?，F場(chǎng)操作如圖所示：
處理這種故障可利用雷達液位計內部的軟件功能，進(jìn)行空頻譜的檢測。設定一個(gè)高于實(shí)際液面的空高距離，讓雷達液位計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(lái)，從而得到真實(shí)的液位。
1、拆卸雷達液位計，擦拭天線(xiàn)
這是雷達液位計最后的處理步驟，如果前面3種處理方法仍無(wú)法消除雷達液位計的故障，則需拆卸雷達液位計，查看天線(xiàn)的臟污狀況，并進(jìn)行清洗除污。之所以這是最后的手段，是因為現場(chǎng)使用的雷達液位計所測介質(zhì)通常含有對人體有害的物質(zhì)，萬(wàn)不得已不要拆卸。拆卸雷達液位計時(shí)，要做好安全防護措施，提前找一個(gè)蓋板，用來(lái)堵住雷達液位計安裝口，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
雷達液位計雖然是一種高精度的可以達到毫米級的液位檢測儀表，沒(méi)有可動(dòng)部件使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際使用中會(huì )遇到各種各樣的問(wèn)題，這些故障問(wèn)題不同于其他的液位測量?jì)x表，偏離真實(shí)值只是一個(gè)很小的范圍。雷達液位計出現問(wèn)題就是災難性的，不是最大就是最小，不是死數就是不變，因此雷達液位計在實(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液位計的人員有所幫助。
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