劉藝專

（漳州市計(jì)量所，福建 漳州 363000）

1 引言

現(xiàn)今，雷達(dá)液位計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型儲(chǔ)油罐液位測量中。目前，大部分的儲(chǔ)油區(qū)采用的液位計(jì)檢定方法都是人工檢尺法。這種方法自動(dòng)化程度低，全程需要人員參與，作業(yè)量大，測量時(shí)間長，工作效率低，不易得出修正系數(shù)。所以對于大型儲(chǔ)油罐液位計(jì)，設(shè)計(jì)一套可靠性高的液位計(jì)在線檢定裝置是十分有必要的，它能提高液位校準(zhǔn)效率，降低人工作業(yè)量，滿足現(xiàn)場快速測量的要求等都具有重要意義。對于設(shè)備固定，拆卸送檢不便的液位計(jì)，計(jì)量檢定人員可將設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行現(xiàn)場安裝，就地檢定。液位計(jì)在線檢定裝置，對于降低液位計(jì)量成本，提高檢定效率以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益無疑都有很大的幫助。

文章研究基于激光測距儀和參考板的大型油罐雷達(dá)液位計(jì)在線檢定方法和裝置。該方法和裝置，首先利用激光測距儀作為標(biāo)準(zhǔn)器對雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行在線檢定，記錄和處理數(shù)據(jù)，生成檢定報(bào)表以及液位比對曲線；然后利用參考板的標(biāo)準(zhǔn)距離和檢測距離之間的比值，以此作為參考系數(shù)，對實(shí)際的雷達(dá)液位計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。該裝置的研制可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)的在線檢定，取代人工檢尺法以及送計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定的方法，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)的自校準(zhǔn)，提高工作效率和計(jì)量準(zhǔn)確度，提高計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢測水平，減少資源浪費(fèi)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 國內(nèi)外雷達(dá)液位計(jì)檢定和校準(zhǔn)的研究

國內(nèi)目前對液位計(jì)檢定的主要方法有水箱檢定、模擬檢定。比如天津市計(jì)量技術(shù)研究所的宮風(fēng)順、程振來[1]就對液位計(jì)檢定裝置進(jìn)行研究，發(fā)表了《液位計(jì)檢定裝置的研究》，它參考了國家液位計(jì)檢定規(guī)程 JJG971-2002[2]，對液位計(jì)水箱檢定進(jìn)行分析，制作出了一臺(tái)可靠的液位計(jì)檢定裝置。中國計(jì)量科學(xué)研究院力學(xué)與聲學(xué)研究所的郭立功[3,4]利用更高精度的光柵尺對液位進(jìn)行測量，利用更高精度的液位，對液位計(jì)進(jìn)行檢定，從而設(shè)計(jì)了基于光柵尺測量的一套液位計(jì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的自動(dòng)檢定。中國計(jì)量科學(xué)研究院的羅志勇和劉子勇對這方面進(jìn)行了研究，從而發(fā)表了《液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院的鄧輔仁和李新秋對超聲波液位計(jì)進(jìn)行了深入的研究，從而發(fā)表了《加油站油罐液位的測量》，設(shè)計(jì)了一種利用超聲波自校準(zhǔn)原理的液位檢測裝置，并且進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用。他們的研究都推動(dòng)著我國雷達(dá)液位計(jì)檢定的發(fā)展。

目前，國外大多數(shù)儲(chǔ)油罐安裝了油罐自動(dòng)液位計(jì)量裝置，并建立了相應(yīng)的計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)，如美國工廠聯(lián)合會(huì)、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)等。美國的Bin Sai.Zuid Holland發(fā)明的一套油罐雷達(dá)液位計(jì)的自校準(zhǔn)裝置，并編寫了專利《METHOD AND APPARATUS FOR REAL-TIME CALIBRATION OF A LIQUID STORAGE TANK LEVEL GAUGE》。它是對雷達(dá)液位計(jì)的信號波在不同壓力和溫度下，微波傳輸速度的變化，進(jìn)行分析得出系數(shù)，然后對液位進(jìn)行校準(zhǔn)。

由上可知，目前國內(nèi)外雷達(dá)液位計(jì)檢定方法的研究主要還是以比較法為主，另外還有對雷達(dá)液位計(jì)的微波進(jìn)行分析，增加參考指針對雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行自校準(zhǔn)的方法。實(shí)際上，由于運(yùn)輸費(fèi)用以及檢定成本太高，目前罐區(qū)對于雷達(dá)液位計(jì)檢定的方法，基本采用人工檢尺法。因此，研制一套針對罐區(qū)大量程雷達(dá)液位計(jì)在線檢定與校準(zhǔn)的裝置，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

3 系統(tǒng)指標(biāo)

文章旨在研制一套針對大型油罐雷達(dá)液位計(jì)的在線檢定與校準(zhǔn)裝置，具體指標(biāo)如下表1

表1 系統(tǒng)指標(biāo)

4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于激光測距儀和參考板的大型油罐雷達(dá)液位計(jì)在線檢定與校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括機(jī)械裝置、被檢雷達(dá)液位計(jì)、激光測距儀、壓力變送器、溫度變送器、電磁閥、過濾器、 PLC、PC 機(jī)、藍(lán)牙調(diào)制解調(diào)器和 HART 調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備，根據(jù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)控制原理，液位的變化過程的監(jiān)控以及電磁閥的自動(dòng)控制通過下位機(jī) PLC 實(shí)現(xiàn)，完成對被檢雷達(dá)液位計(jì)、壓力變送器和溫度變送器等信號的實(shí)時(shí)采集。上位機(jī)程序是由PC機(jī)LabVIEW編程軟件編寫，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)擬合、存儲(chǔ)、液位監(jiān)控、報(bào)表生成以及檢定過程動(dòng)畫演示等功能，且通過藍(lán)牙調(diào)制解調(diào)器和HART調(diào)制解調(diào)器分別對激光測距儀和雷達(dá)液位計(jì)的信號進(jìn)行采集。PC機(jī)和PLC機(jī)之間采用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如下圖 1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

5 裝置設(shè)計(jì)與工作原理

基本工作原理是通過激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置對導(dǎo)波管副管中的反射盤進(jìn)行檢測，得到液位標(biāo)準(zhǔn)值，雷達(dá)液位計(jì)同樣對液面檢測，得到液位檢測值，將液位標(biāo)準(zhǔn)值與液位值進(jìn)行比較，得到檢定結(jié)果，以此來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)在線檢定；該裝置能夠接受來自儲(chǔ)罐中液面和導(dǎo)波管主管里的參考板的電磁反射波信號，從該信號中能夠計(jì)算得到液面和一個(gè)或多個(gè)參考板的檢測距離，并且將參考板的檢測距離與它們的標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行比對，基于檢測距離與標(biāo)準(zhǔn)距離之間的比對，能夠得到一個(gè)正確的比例修正系數(shù)，利用這個(gè)修正系數(shù)和液面的檢測距離，就能夠得到正確的液位值，當(dāng)空罐時(shí)，利用雷達(dá)液位計(jì)將一個(gè)或者多個(gè)參考板的距離標(biāo)定，將其作為標(biāo)準(zhǔn)距離并且存儲(chǔ)，以此來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)的實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)。

裝置簡介，該裝置包括一種激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置和雷達(dá)液位計(jì)。激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置包括一個(gè)發(fā)射器、一個(gè)接收器和一個(gè)控制器以及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，它能夠通過發(fā)射器將激光發(fā)射到反射盤，并且通過接收器將反射回的激光接收，并且利用控制器計(jì)算得到相應(yīng)的反射盤距離，計(jì)算出液位標(biāo)準(zhǔn)值且存儲(chǔ)；雷達(dá)液位計(jì)包括一個(gè)發(fā)射器、一個(gè)接收器和一個(gè)控制器以及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，它能夠通過發(fā)射器將電磁波發(fā)射，并且通過接收器將從液面和相應(yīng)參考板反射回來的電磁波接收，通過控制器計(jì)算液面和相應(yīng)參考板的檢測距離。

系統(tǒng)簡介，該系統(tǒng)包括一個(gè)能夠儲(chǔ)存液體的儲(chǔ)罐、一個(gè)在儲(chǔ)罐里能夠提供一個(gè)或多個(gè)參考點(diǎn)的參考板和反射盤的裝置、激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置、雷達(dá)液位計(jì)以及上位機(jī)。系統(tǒng)分為在線檢定模塊與實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)模塊，通過激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置檢測位于導(dǎo)波管副管中的反射盤，得出液位標(biāo)準(zhǔn)值，通過傳輸線傳輸至上位機(jī)，再通過液位計(jì)檢測液位值，同樣上傳至上位機(jī)，上位機(jī)通過計(jì)算，得到檢定結(jié)果；通過雷達(dá)液位計(jì)在空罐情況下檢測導(dǎo)波管主管中的各個(gè)參考板得到其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，存儲(chǔ)于上位機(jī)，將其與液位計(jì)檢測到的各個(gè)參考板的檢測值進(jìn)行比對得到修正系數(shù)，最后基于修正系數(shù)與液位計(jì)液位檢測值得到正確的實(shí)際液位值。

通過下面詳細(xì)介紹裝置的設(shè)計(jì)來了解該裝置的具體工作原理。

首先需要了解下面提到的各個(gè)零部件的代號與名稱：100-儲(chǔ)液罐系統(tǒng)、102-儲(chǔ)液罐、104-液體、106-氣體、108-在線檢定和自校準(zhǔn)裝置、110-雷達(dá)液位計(jì)、112-導(dǎo)波管主管、114（a-e）-參考板、116-固定參考面、118-反射鏡、120-導(dǎo)波管副管、122-反射盤、124-激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置、126-傳輸線、128-遠(yuǎn)傳顯示器、130-上位機(jī)控制系統(tǒng)。如圖2所示是一個(gè)擁有液位檢測功能的儲(chǔ)液罐系統(tǒng)與在線檢定裝置的剖面圖。

圖2 儲(chǔ)液罐系統(tǒng)與在線檢定裝置的剖面圖

儲(chǔ)液罐系統(tǒng)100擁有一個(gè)能夠存儲(chǔ)液體104的儲(chǔ)液罐102。液體104蒸發(fā)而產(chǎn)生的氣體106將液位之上的儲(chǔ)液罐102充滿。在線檢定和自校準(zhǔn)裝置108安裝在儲(chǔ)液罐102之上，整個(gè)裝置垂直通過儲(chǔ)液罐102。激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置124按照特定的高度水平安裝在儲(chǔ)液罐102之上，使得激光能通過導(dǎo)波管副管120中的反射鏡118射入副管120中。

在線檢定和自校準(zhǔn)裝置108包括導(dǎo)波管主管112和副管120，它們是從固定參考面116延伸到儲(chǔ)液罐102底部某個(gè)指定位置。導(dǎo)波管主管112和副管120的底部是開孔的，它們之間是連通的，并且在管道中間也是開孔的，是為了保證管道中的液位和罐體內(nèi)的液位一致。導(dǎo)波管主管112和副管120是利用焊接或者其他方式通過特定的通口固定在罐體102之上。因此，參考面116要被固定在一個(gè)特定的、已知的高度。

雷達(dá)液位計(jì)110和激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置124會(huì)將檢測到的液位和參考指針的信息通過傳輸線126傳送至遠(yuǎn)端顯示器128或者上位機(jī)控制系統(tǒng)130。在遠(yuǎn)端顯示器128中，可以獲得實(shí)際液位的信息。在上位機(jī)控制系統(tǒng)130，可以利用雷達(dá)液位計(jì)110和激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置124的液位信息，對雷達(dá)液位計(jì)110進(jìn)行在線檢定；也可以利用雷達(dá)液位計(jì)110中液位和參考指針的信息，通過計(jì)算得到修正系數(shù)來對雷達(dá)液位計(jì)110進(jìn)行實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)。

由于大型油罐雷達(dá)液位計(jì)在線檢定的困難性，目前只具有人工檢尺法，所以對雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行在線檢定迫切需求。文中所設(shè)計(jì)的導(dǎo)波管副管120、反射鏡118以及反射盤122與激光測距標(biāo)準(zhǔn)裝置124所組成的在線檢定裝置將能解決雷達(dá)液位計(jì)在線檢定的困難性。

上述介紹了雷達(dá)液位計(jì)在線檢定裝置的結(jié)構(gòu)和零部件，以及其具體的工作原理。由此可知，只要在整個(gè)裝置安裝到油罐中，并且在首次使用時(shí)，對參考板進(jìn)行標(biāo)定，那么在檢定過程中，只需要攜帶激光測距儀就可以對液位計(jì)進(jìn)行檢定了。如果在檢定過后，需要對其進(jìn)行自校準(zhǔn)，就可以啟動(dòng)自校準(zhǔn)模式。此裝置和系統(tǒng)，方便的解決了以前所存在的問題，為大型油罐雷達(dá)液位計(jì)在線檢定提供了一種有效可行的方法。

6 結(jié)束語

文章在分析國內(nèi)外大型油罐雷達(dá)液位計(jì)檢定與校準(zhǔn)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對20m以下的大型油罐雷達(dá)液位計(jì)，利用高精度激光測距儀檢定低精度雷達(dá)液位計(jì)的方法，利用參考板的回波反射性質(zhì)，研究出雷達(dá)液位計(jì)在線檢定實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)方案，并且完成大型油罐雷達(dá)液位計(jì)在線檢定與校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在線檢定與校準(zhǔn)系統(tǒng)的建立實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)液位計(jì)檢定的快速性和自動(dòng)化。

[1]宮風(fēng)順,程振來,潘志剛,王玉龍,王品卿.液位計(jì)檢定裝置的研究[J].中國計(jì)量,2005,3:52-53.

[2]JJG 971-2002,液位計(jì)[S].

[3]郭立功.液位計(jì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的研制[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2007,28(3A):261-264.

[4]郭立功,劉子勇,王金濤,佟林,暴雪松.液位計(jì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的技術(shù)更新[J].計(jì)量技術(shù),2012,5:27-29.