郭芝源等

摘 要：導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)被廣泛用于測(cè)量?jī)?chǔ)油罐的油脂液位。但是由于儲(chǔ)油罐本身不能滿(mǎn)足導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝要求，導(dǎo)致測(cè)量液位不準(zhǔn)確，測(cè)量結(jié)果存在大量噪聲。為此，文中使用測(cè)量液位曲線(xiàn)的平滑度作為雷達(dá)液位計(jì)的置信度，針對(duì)低置信度的測(cè)量結(jié)果，使用相鄰測(cè)量點(diǎn)的液位變化速度特征對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波后處理，以有效去除噪聲，從而提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)油罐；導(dǎo)波雷達(dá)；液位計(jì)；液位測(cè)量置信度；濾波信號(hào)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TN959.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）08-00-03

0 引 言

隨著油脂儲(chǔ)備工作的重視與發(fā)展，油脂監(jiān)管已成為糧油企業(yè)的一項(xiàng)重要工作[1-11]。由于儲(chǔ)油罐體積龐大，儲(chǔ)存油脂多，直接測(cè)量油脂數(shù)量或者體積難以實(shí)現(xiàn)，因此，通常通過(guò)測(cè)量?jī)?chǔ)油罐的油脂液位、油脂的溫度，結(jié)合罐體尺寸、油脂密度隨溫度變化曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算油脂的體積和質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)油脂的監(jiān)管。因此，如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐液位的準(zhǔn)確測(cè)量一直是糧油企業(yè)中普遍存在的問(wèn)題[2-4]。

導(dǎo)波式雷達(dá)液位計(jì)把導(dǎo)波桿伸入被測(cè)液體中，通過(guò)導(dǎo)波桿發(fā)射和接收信號(hào)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)雖然需要接觸被測(cè)液體，但由于使用了導(dǎo)波桿作為傳輸介質(zhì)，因此，信號(hào)損耗小，能量比較集中，回波質(zhì)量好，能夠測(cè)量介電常數(shù)很低的介質(zhì)；而且，它還具有方向性好、信號(hào)頻率低和穿透性好的優(yōu)點(diǎn)。因此，導(dǎo)波式雷達(dá)液位計(jì)在儲(chǔ)油罐的油脂液位測(cè)量任務(wù)中應(yīng)用十分廣泛[5-11]。

為達(dá)到測(cè)量精度，導(dǎo)波式雷達(dá)液位計(jì)需要滿(mǎn)足以下安裝要求[5]：

（1）必須垂直向下安裝導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，傾斜度最大不能超過(guò)3°；

（2）雷達(dá)的波束中心距容器壁的距離應(yīng)大于由波束角、測(cè)量范圍計(jì)算出來(lái)的最低液位處的波束半徑；

（3）雷達(dá)的波束途徑應(yīng)避開(kāi)攪拌器等其它障礙物及容器。

但是，在實(shí)際的儲(chǔ)油罐中，液位計(jì)的安裝位置會(huì)受到儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)的限制，經(jīng)常無(wú)法完全滿(mǎn)足上述安裝要求。例如，罐頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)只允許雷達(dá)液位計(jì)安裝在罐壁邊上，使得安裝條件（2）無(wú)法滿(mǎn)足；另外，為了將雷達(dá)液位計(jì)固定在罐頂，需要根據(jù)情況在雷達(dá)液位計(jì)上增加結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)致雷達(dá)的波束途徑不能完全避開(kāi)結(jié)構(gòu)件的影響等。當(dāng)液位計(jì)的安裝要求不完全滿(mǎn)足時(shí)，罐壁、障礙物將會(huì)產(chǎn)生大量的干擾性回波，使得液位測(cè)量結(jié)果中包含噪聲，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。尤其是，當(dāng)儲(chǔ)油罐中油脂液位接近罐頂，即雷達(dá)液位計(jì)距離液面很近時(shí)，這種干擾性回波的影響更加明顯。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)分析某個(gè)液位計(jì)一段時(shí)間的液位測(cè)量結(jié)果，來(lái)評(píng)估該液位計(jì)測(cè)量結(jié)果的置信度，即該液位計(jì)測(cè)量結(jié)果的可信程度。根據(jù)置信度估計(jì)值，能夠從大量?jī)x器中篩選出測(cè)量不夠準(zhǔn)確的液位計(jì)。一方面，提醒維護(hù)人員有針對(duì)性的進(jìn)行維修；另一方面，后續(xù)的信號(hào)處理系統(tǒng)能夠?qū)Φ椭眯哦鹊臏y(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波處理，濾除噪聲信號(hào)。本文使用相鄰測(cè)量點(diǎn)的液位變化速度特征對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。實(shí)驗(yàn)表明，使用基于測(cè)量曲線(xiàn)平滑度的置信度估計(jì)和基于相鄰測(cè)量點(diǎn)液位變化速度的濾波器能夠有效鑒別并濾除液位測(cè)量結(jié)果中的噪聲信號(hào)，提高液位測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1 傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)液位測(cè)量系統(tǒng)

圖1所示是已有導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的液位測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該測(cè)量系統(tǒng)由處理器、液位測(cè)量模塊和信號(hào)傳輸模塊構(gòu)成。此外，由于在油脂監(jiān)管任務(wù)中，需要獲得油脂密度，因此液位測(cè)量系統(tǒng)通常兼具溫度測(cè)量模塊，通過(guò)油脂溫度，經(jīng)過(guò)查表可以知道在該溫度下，某品種油脂的密度。該系統(tǒng)利用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)獲取罐內(nèi)的液位高度信息，并轉(zhuǎn)換為4-20 mA的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)精密電阻采樣將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)高精度ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，微處理器即可獲取儲(chǔ)油高度信息，控制GPRS將信息發(fā)送給上位機(jī)。

2 置信度估計(jì)與濾波器設(shè)計(jì)

一般的液位測(cè)量系統(tǒng)中，上位機(jī)接收到的液位測(cè)量結(jié)果中可能包含大量噪聲，本文提出一種基于置信度估計(jì)的濾波算法，用于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波去除噪聲，從而提高測(cè)量精度。為了有效去除液位測(cè)量結(jié)果中的噪聲，并減少計(jì)算量，該算法首先估計(jì)測(cè)量結(jié)果的置信度，針對(duì)低置信度的測(cè)量結(jié)果，使用相鄰測(cè)量點(diǎn)的液位變化速度特征對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波處理。

圖2所示是其算法流程，設(shè)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的液位測(cè)量結(jié)果為OriH（i），其中i表示第i個(gè)測(cè)量結(jié)果，RevH（i）為處理后得到的液位修正值。算法首先計(jì)算當(dāng)前測(cè)量液位曲線(xiàn)的平滑度，從而得到置信度Conf（i），對(duì)置信度低于或等于設(shè)定閾值ThrConf的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波，最后獲得RevH（i）。

2.1 置信度估計(jì)

在大型儲(chǔ)油罐的油脂儲(chǔ)存中，油脂儲(chǔ)存的時(shí)間一般較長(zhǎng)，油罐進(jìn)油、放油的頻率較低，因此，油脂數(shù)量基本不變，液位僅僅是由于油脂溫度變化引起的微小變化。即使是在進(jìn)出油過(guò)程中，由于儲(chǔ)油罐截面積大，液位變化的速度也較慢。因此，實(shí)際的液位變化曲線(xiàn)應(yīng)變化較為平緩。通過(guò)計(jì)算在過(guò)去24小時(shí)內(nèi)液位測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)的平滑度，就能夠估計(jì)該測(cè)量結(jié)果的置信度。設(shè)Dif（i）表示第i個(gè)觀察點(diǎn)的前24小時(shí)測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)的平均一階差分

圖3是上述置信度估計(jì)算法的基本流程圖。設(shè)Conf（i）為第i個(gè)測(cè)量結(jié)果的置信度，計(jì)算公式如公式（2）所示。設(shè)算子是為了計(jì)算相鄰測(cè)量值的液位變化絕對(duì)值的平均值，該值代表曲線(xiàn)的平滑度，該計(jì)算結(jié)果的取值范圍為 [0，+∞）；10-X算子將上述計(jì)算結(jié)果調(diào)整至（0，1]。當(dāng)i

2.2 濾波器的設(shè)計(jì)

在大型儲(chǔ)油罐的油脂儲(chǔ)存中，引起實(shí)際液位變化的因素有兩個(gè)：一是油脂溫度變化；二是進(jìn)出油。其中，溫度引起的液位變化隨著溫度不同、罐體橫截面積、油脂種類(lèi)而變化，但都具有變化范圍小的特點(diǎn)；油脂的正常進(jìn)出油作業(yè)通常需要持續(xù)一定時(shí)間，例如在20分鐘內(nèi)液位均在上升或下降，且油脂進(jìn)出油時(shí)液位變化速度應(yīng)在一定范圍內(nèi)。綜上所述，可以通過(guò)測(cè)量結(jié)果中液位的變化速度來(lái)判定該測(cè)量值是否正常，并修正判定為異常的測(cè)量結(jié)果。詳細(xì)的濾波流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證算法的有效性，本文采集了210個(gè)儲(chǔ)油罐液位測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。該液位測(cè)量系統(tǒng)使用本文所述的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)油罐位于我國(guó)某省內(nèi)的多個(gè)糧庫(kù)，測(cè)量結(jié)果為2014年4月份某天的數(shù)據(jù)。210個(gè)數(shù)據(jù)樣本中，有26個(gè)樣本包含大量噪聲。然后對(duì)這些測(cè)量結(jié)果使用本文濾波算法進(jìn)行處理。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

系統(tǒng)液位采集間隔時(shí)間Δt設(shè)為5分鐘，此時(shí)N=288，為簡(jiǎn)化算法，忽略各油罐體積不同、油脂品種不同的影響，設(shè)各油罐的ΔHMaxT、ΔHMaxR和ΔHMaxF參數(shù)相同。使用184個(gè)不含噪聲樣本做參數(shù)統(tǒng)計(jì)，可得ΔHMaxT為0.008 m，ΔHMaxR為0.06 m，ΔHMaxF為0.06 m。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 置信度估計(jì)

設(shè)樣本X（x1，x2，……，xi，……）代表某個(gè)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的液位測(cè)量結(jié)果，由公式（1）計(jì)算出第i個(gè)測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的平均一階方差Dif（i），實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算所有樣本點(diǎn)中滿(mǎn)足i>=N（即i>=288）條件的平均一階差分Dif（i），發(fā)現(xiàn)在184個(gè)不含噪聲的樣本中，最大的Dif為6.0379383E-4，而26個(gè)含噪聲樣本中，最小的平均一階差分為1.1807509 E-3，如表1所列。

由上述結(jié)果可知，平均一階差分能夠很好地區(qū)分不含噪聲樣本與含噪樣本，因此，由平均一階差分計(jì)算得到的置信度能夠代表測(cè)量結(jié)果的可信程度。

3.3.2 濾波算法

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將置信度閾值ThrConf設(shè)為10-0.001，圖5所示的是某個(gè)液位測(cè)量結(jié)果在濾波前后的比較。其中上圖表示濾波前的液位測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)，下圖為濾波后的曲線(xiàn)。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，平均一階差分能夠很好地區(qū)分含噪聲樣本與不含噪聲樣本，因此，基于平均一階差分的置信度具有對(duì)含噪測(cè)量結(jié)果的良好鑒別能力。本文所述的濾波算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，本文提出的濾波算法能夠有效濾除測(cè)量結(jié)果中包含的噪聲信號(hào)，可對(duì)液位測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，提高液位測(cè)量的準(zhǔn)確度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于置信度估計(jì)的濾波算法用于去除導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)液位測(cè)量結(jié)果中的噪聲。該算法首先通過(guò)測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)的平滑度來(lái)估計(jì)測(cè)量結(jié)果的置信度，對(duì)于置信度低的測(cè)量結(jié)果，采用基于液位變化速度的特征進(jìn)行修正，從而得到修正后的液位值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該算法能夠有效濾除噪聲，提高導(dǎo)波雷達(dá)液位測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)

[1] 王乃民.油罐多液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東）， 2008.

[2] 白云峰，周俊.常見(jiàn)油罐液位計(jì)的性能特點(diǎn)及選用[J].石油工程建設(shè)，2001（1）：52-53.

[3] 李明.植物油罐油脂計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)油脂， 2011（2）：67-69.

[4] 王友善，張培旻. E+H儲(chǔ)罐測(cè)量系統(tǒng)在油罐計(jì)量的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2010，23（9）：121-122.

[5] 徐敬波，李天峰.成品油檢尺與雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的誤差分析[J].計(jì)量技術(shù)， 2010（12）：33-35.

[6] 張軍團(tuán)，程德福，林君.儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)雷達(dá)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2004（11）：1040-1042.

[7] 宜潔瓊.雷達(dá)物位儀在重油油罐液位計(jì)量的應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽，2012（36）：619-620.

[8] 楊晨松.雷達(dá)液位計(jì)用于油罐計(jì)量[J].計(jì)量技術(shù)，2009（11）：75-76.

[9] 楊景臣，張劉富，王新剛.油罐物位用雷達(dá)液位計(jì)的分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2012（1）：273.

[10] 劉偉佳.導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[11] 吳亮.食用油油罐液位雷達(dá)測(cè)量技術(shù)[J].中國(guó)油脂， 2005（1）：59-60.