CN103292874B - 雷达液位计在线检定与实时自校准的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷达液位计在线检定与实时自校准的方法和装置。目前，雷达液位计的检定与校准，都基本采用的人工检尺法，这种方法，操作复杂，数据精准度不够，校准效果不明显。本发明包括激光测距标准装置、雷达液位计和导波管。导波管包括并排设置的主管与副管。通过激光测距标准装置对导波管副管中的反射盘进行检测，得到液位标准值，雷达液位计对液面检测，得到液位检测值，将液位标准值与液位检测值进行比对，得到检定结果，以此来实现雷达液位计在线检定。本发明操作方便，数据精准度高，校准效果明显。

Description

雷达液位计在线检定与实时自校准的方法和装置

技术领域

本发明属于自动化检测技术领域，涉及一种雷达液位计在线检定与实时自校准的方法和装置。

背景技术

大型储罐尤其是储存液化天然气、液化石油气、酒精、碳氢化合物或其它液体的，基本上都是用雷达液位计来检测它们的液位。现今，随着时间推移，很多雷达液位计的测量误差也越来越大，对于整个重量与检测体系来说是，这样的误差将会产生很多的效益丢失。因此，迫切需求一种能够在线检定与实时自校准大型储油罐雷达液位计的方法和装置。

发明内容

本发明针对现有装置技术上的不足，提供了一种雷达液位计在线检定与实时自校准的方法和装置。

雷达液位计在线检定装置，包括激光测距标准装置、雷达液位计和导波管。所述的导波管包括并排设置的主管与副管，主管与副管的两端均开放且相互连通，其中雷达液位计设置在主管上开放端，在雷达液位计与主管上开放端之间设置有参考面，主管下开放端伸入储液罐的液体中；副管上开放端设置有斜向的反射镜，副管下开放端伸入储液罐的液体中，在副管内还设置有浮于液体上的反射盘，激光测距标准装置正对反射镜设置，其出射激光经反射镜反射后进入副管中，在副管中的激光与反射盘所在的平面垂直，所述的激光测距标准装置和雷达液位计均与上位机信号连接。

所述的主管内水平设置有多块参考板，参考板在管内的长度由上至下依次递增。

雷达液位计在线检定及实时自校准方法具体是：

上位机向雷达液位计发送一个读取液位信号，雷达液位计通过天线将电信号转化成电磁波发射，电磁波遇到液面或者参考板后产生回波信号，回波信号经雷达液位计信号转换后发送给上位机；其次，上位机同样向激光测距标准装置发送一个读取液位信号，激光测距标准装置产生一个激光信号，经反射盘反射后，接收反射信号，反射信号发送给上位机；

上位机根据反射盘厚度以及激光测距标准装置的反射信号，对所得到的数据进行修正，得到标准的实际液位值；上位机对实际液位值和雷达液位计所测得的液位值进行比对，得到示值误差，根据示值误差判断其是否超出标准设定，如果超出，将进入雷达液位自校准阶段；如果没有超出，则判断检定次数是否达到设定值；

所述的雷达液位自校准阶段，具体是：

首先利用雷达液位计，接收来自参考板和液面的电磁反射波信号，利用该电磁反射波信号计算出参考板和液面的检测值；

然后将参考板的检测值与它们各自的标准值进行比较，得到检测值和标准值之间正确的比例修正系数；

最后基于正确的比例修正因数和液面的检测值得到正确的液位值。

雷达液位自校准阶段中的参考板的标准值由激光测距标定装置事先测量得到，所述的激光测距标定装置包括采用激光测距仪、移动座和安装盘，安装盘利用紧固件固定于参考面上，移动座活动设置在安装盘的移动槽内，激光测距仪设置在移动座内，在移动座两侧装有显示格，其与安装盘上的刻度对应，所述的刻度与主管的参考板对应，即移动座移至刻度中的某一格，则激光就打到相应的参考板上。

本发明的有益效果： 目前，雷达液位计的检定与校准，都基本采用的人工检尺法，这种方法，操作复杂，数据精准度不够，校准效果不明显。采用本发明所述的在线检定和自校准的装置后，可以明显发现，操作方便，数据精准度高，校准效果明显。非常有利于当今社会方便快捷、经济有效的发展趋势。

附图说明

图1根据需求设计的储罐和在线检定和实时自校准装置的剖面图；

图2导波管的俯视图；

图3a是空罐时利用激光测距标定装置；

图3b是3a图中的局部放大图；

图4在线检定系统的方框图；

图5实时自校准系统的方框图；

图6在线检定流程图；

图7标定流程图；

图8实时自校准流程图。

具体实施方式

本发明介绍了一种大型储罐雷达液位计在线检定与实时自校准的方法和装置。

在线检定方法简介，通过激光测距标准装置对导波管副管中的反射盘进行检测，得到液位标准值，雷达液位计对液面检测，得到液位检测值，将液位标准值与液位检测值进行比对，得到检定结果，以此来实现雷达液位计在线检定；实时自校准方法简介，首先，该方法利用激光测距标定装置，对导波管主管内的所有参考板的位置进行标定，将所得到的各个参考板的标定值作为标准值，并且存储在系统中，然后，利用雷达液位计，接收来自液面和一个或多个参考板的电磁反射波信号，并且利用该反射波信号计算出液面和一个或多个参考板的检测值，下一步，将一个或多个参考板的检测值与它们各自的标准值进行比较，得到检测值和标准值之间正确的比例修正系数，最后基于正确的比例修正因数和液面的检测值得到正确的液位值。

装置简介，该装置包括一种激光测距标准装置、激光测距标定装置和雷达检测装置。激光测距标准装置包括一个发射器、一个接收器和一个控制器以及相应的机械结构装置，它能够通过发射器将激光发射到反射盘，并且通过接收器将反射回的激光接收，并且利用控制器计算得到相应的反射盘距离，计算出液位标准值且存储；激光测距标定装置包括一个发射器、一个接收器和一个控制器以及相应的机械结构装置，它能够通过发射器将激光发射到各个参考板上，并且通过接收器将各个参考板上反射回的激光接收，并且利用控制器计算得到相应的参考板距离，作为标准距离存储；雷达液位计包括一个发射器、一个接收器和一个控制器以及相应的机械结构装置，它能够通过发射器将电磁波发射，并且通过接收器将从液面和相应参考板反射回来的电磁波接收，通过控制器计算液面和相应参考板的检测距离。

系统简介，该系统包括一个能够储存液体的储罐、一个在储罐里能够提供一个或多个的参考板和反射盘的装置、激光测距标准装置、激光测距标定装置、雷达液位计以及上位机。系统分为在线检定模块与实时自校准模块，通过激光测距标准装置检测位于导波管副管中的反射盘，得出液位标准值，通过传输线传输至上位机，再通过液位计检测液位值，同样上传至上位机，上位机通过计算，得到检定结果；通过激光测距标定装置检测导波管主管中的各个参考板得到其相应的标准值，存储于上位机，将其与液位计检测到的各个参考板的检测值进行比对得到修正系数，最后基于修正系数与液位计液位检测值得到正确的实际液位值。

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明。

图1描述的是一个拥有液位检测功能的储液罐系统100的剖面图。储液罐系统100拥有一个能够存储液体104的储液罐102。液体104蒸发而产生的气体106将液位之上的储液罐102充满。在线检定和自校准装置108安装在储液罐102之上，整个装置垂直通过储液罐102。激光测距标准装置124按照特定的高度水平安装在储液罐102之上，使得激光能通过导波管副管120中的反射镜118射入副管120中。

在线检定和自校准装置108包括导波管主管112和副管120，它们是从固定参考面116延伸到储液罐102底部某个指定位置。导波管主管112和副管120的底部是开孔的，它们之间是连通的，并且在管道中间也是开孔的，是为了保证管道中的液位和罐体内的液位一致。导波管主管112和副管120是利用焊接或者其他方式通过特定的通口，固定在罐体102之上。因此，参考面116要被固定在一个特定的、已知的高度。

雷达液位计110和激光测距标准装置124会将检测到的液位和参考指针的信息通过传输线126传送至远端显示器128或者上位机控制系统130。在远端显示器128中，可以获得实际液位的信息。在上位机控制系统130，可以利用雷达液位计110和激光测距标准装置124的液位信息，对雷达液位计110进行在线检定；也可以利用雷达液位计110中液位和参考指针的信息，通过计算得到修正系数来对雷达液位计110进行实时自校准。

由于大型油罐雷达液位计在线检定的困难性，目前只具有人工检尺法，所以对雷达液位计进行在线检定迫切需求。本发明所设计的导波管副管120、反射镜118以及反射盘122与激光测距标准装置124所组成的在线检定装置将能解决雷达液位计在线检定的困难性。

图2所示的是导波管示意图，其中副管120是用来进行在线检定的。图1中所示，激光测距标准装置124被安放在指定的位置，使其能够水平照射到反射镜118上，将激光反射入副管120中，从而能够检测到反射盘122的位置，最终确定液位的标准值。其中反射镜118必须是与水平面成45°，以此来保证激光能够顺利进入副管120，及激光与管壁平行。反射盘122被制作成贴合副管120形状的盘状物，具有一定的厚度，以保证它在液位上下升降时不会翻转，且能够反射激光与浮于水面一定高度。

激光测距标准装置124能够将检测得到的液位信息通过传输线126至上位机控制系统130或者远传显示器128，在上位机控制系统130中，能够与雷达液位计所检测得到的液位信息进行比对，从而对液位计进行在线检定。

由于蒸汽106会充满储液罐102并且在主管112里面也会充满蒸汽，因为蒸汽的变化会影响雷达波在空气中传播的速率，从而影响了正常的液位检测。另外，还有许多的物理特征值会影响到雷达波的检测性能，比如，液体的组成部分，液体的温度或者罐体102的温度。

为了能够消除蒸汽106对雷达波的影响，将5个长短不一的参考板插入主管112中，它们分别是114a、114b、114c、114d、114e。在图2中显示的是图1中主管112和副管120的俯视截面图。显示了参考板114a是沿着直径方向延伸的，并且图1中所显示的114a-114e都是平行的。

雷达液位计110包括一个线性极性天线，它的安装方向是能够让参考板114a-114e正确且准确地产生回波。它的回波轨迹中将会有在液体104之上的参考板的信息。通过传输线126将此信息传送至上位机控制系统，通过计算就可以计算出蒸汽106对雷达液位计性能的影响。蒸汽的影响系数可以在之后的自校准中充当修正系数，从而得到实际的液位值。

图3显示的是空罐时利用激光测距标定装置300对参考板114a-114e的位置进行标定，得到各个参考板标准值。在安装雷达液位计110进行正常工作之前，将激光测距标定装置安装于固定参考面116。激光测距标定装置300包括激光测距仪302、移动座304和安装盘306。首先将安装盘306利用紧固件固定于参考面116上，再将移动座304按移动槽正确放置，最后将激光测距仪302插入移动座304中。在图3中的局部视图I中，可以看到移动座302拥有一个显示格，它固定于移动座两侧，并且中心位置与激光测距仪302所发出的激光在同一个水平面上。在安装盘306的两侧具有相应的标识刻度，它所表示的是第1-第8个参考板，如本实施例上面所述，第1-第5格分别对应着114a-114e。其所代表的意义是将移动座移至第几格，那么激光就打到相应的参考板上，这样便于对参考板进行标定。

在本发明中，雷达液位计110所接收到的回波信号包括了在液面之上的参考板位置和液面位置，将回波中的参考板的信号与最初激光测距标定装置300所得到的参考板标准值进行对比，得到修正系数，此修正系数所代表的就是蒸汽106或者罐体温度以及其它环境变化对雷达波性能的影响。基于这个修正系数，对代表液面高度的回波信号进行修正，从而得到了现有条件下液面高度的实际值，对雷达液位计110进行了实时自校准。

虽然上述的都是雷达液位计，但同样可以对其他类型的电磁波液位计适用。另外，上述的参考板的选用可以根据实际情况选择它的数目。

图4是在线检定系统的方框图，系统包括一个上位机控制系统、雷达液位计、激光测距标准装置以及通讯/显示设备。首先，上位机控制系统向雷达液位计发送一个读取液位信号，因此雷达液位计就要做出相应的反馈。雷达液位计的波形发生器会产生一个信号，信号通过放大器放大，并且通过循环器或者其他能够区分发射和接收频道的设备来连接天线系统。天线系统能够将信号转化成电磁波发射，它也能够接收液面或者参考板的电磁反射波，反射波里面包含着电磁波检测到的物体信息。回波信号将通过循环器进入接收器中，接收器将回波信号转换成信号处理器能够处理的信号。信号处理器将提取回波信号当中的液位信息，然后选择远传显示或者上传上位机控制系统，本发明将通过通讯设备上传上位机控制系统。其次，上位机控制系统同样向激光测距标准装置发送一个读取液位信号。激光测距标准装置的激光发生器会产生一个激光信号，经过倍增管的放大，通过发射器向目标检测物发射激光，经物体反射后，接收器将会接收到反射信号，经过接收器转换成能够为信号处理器处理的信号，然后信号处理器从反射信号中，提取出液位信息。此液位信息表示的是反射盘122的位置，由于它与真实的液位会有一定的高度差，所以它将会在上位机控制系统进行修正。

图5是雷达液位计实时自校准系统的方框图，系统包括一个上位机控制系统、雷达液位计、激光测距标定装置以及通讯/显示设备。首先上位机控制系统在整个系统的初始化状态下，向激光测距标定装置发出读取各个参考板的标准位置。激光测距标定装置将同上所述的激光测距标准装置一样发射和接收激光，并且得到准确的参考板位置。不同的是，激光测距标定装置将根据实际情况，对各个参考板进行对准测量，得到的各个参考板的标准位置并且传送至上位机控制系统存储。其次，上位机控制系统在正常工作状态下，在一定的间隔周期，向雷达液位计发送一个读取液位以及各个参考板位置的信号。雷达液位计将会同在线检定系统中一样发射和接收电磁波信号，不同的是，信号处理器将在此回波信号中，不仅得到液位信息，而且提取出各个参考板的位置信息。

图6是在线检定流程图。这个流程是在正常工作状态下，对雷达液位计进行在线检定的一个流程。

第一步，上位机控制系统将对激光测距标准装置和雷达液位计发出检定命令。第二步，激光测距标准装置检测发射盘的位置，并且将其信号输送至上位机，然后上位机控制系统将根据实际反射盘与液面高度差以及激光测距标准装置的参考位置，对所得到的数据进行修正，得到标准的实际液位值。另一方面，雷达液位计将所检测到的液位值上传至上位机。之后控制系统将对实际液位值和液位计所测得的液位值进行比对，得到示值误差。接下来，将要判断示值误差是否超出标准设定，如果超出，将对液位计进行校准，可通过本发明上述的实时自校准方式对其进行校准，或者因为内部功能性故障可送厂返修，校准过后重新对此点进行检定。如果没有超出，对检定点次数进行判断，是否达到了要求的检定数目，如果没有，检定数加一，然后，对下一点进行检定。当达到所要求的数目时，结束整个检定过程，并且生成检定报告。

图7是标定流程图，这个流程是在储罐正式工作之前所做的一个测量参考板标准值的流程。

首先，上位机控制系统向激光测距标定装置发送一个读取数据命令。然后，激光测距标定装置根据所要测量的参考板的号码，移动至相应格子，之后，检测相应参考板与激光标定装置基准面的距离并且上传至上位机控制系统。之后，根据上面得到的数据，基于激光标定装置基准面与参考面116之间的距离，计算出参考板与参考面之间的距离。将得到的参考板标准数据存储在系统中，等后面对液位计进行自校准时，将得到应用。之后，将要判断参考板检测数目是否达到所要求的数量，比如，在本发明中参考板为114a-114e，共有5个，所以参考板所要求的数量即为5，只有达到这个数量才能进入结束，否则将重新返回，对下一个参考板采集信息。

因为上述流程是在空罐中进行并且所进行时的温度和压力为正常值，所以没有蒸汽、温度和压力对其影响。因此所得到的参考板的距离是有一定的高精准度的。

图8是实时自校准流程图。这个流程是在有液体和蒸汽的储液罐中进行的，也就是正常工作状态下。

首先，上位机控制系统控制雷达液位计发射电磁波，并且接收包含被检测物体信息的回波。其中包含了液面和参考板的信息（可见参考板，在液面之上），这个回波信号能够提取出液位和参考板的位置。接下来对回波的峰值进行检测，峰值代表了就是那些引起回波的物体。之后，峰值所代表的意义将会被确认，到底哪个峰值对应哪个参考板或液面。得到峰值之后，计算可见参考板的检测距离。然后，计算液面的检测距离。

另外，选择参考板的长度的标准，是基于它的长度所产生的回波振幅不能够比液面的还大，也不能够比背景噪声的振幅还要小。

基于可见参考板的检测距离与该流程中所得到的参考板的标准距离，得到一个修正系数。因为参考板的数目可能是一个或者多个，所以得到的修正系数可能会有好几个，这个时候对其取平均值，得到最终的修正系数。

最后，基于测得到液面检测距离和计算得到的修正系数，得到正确的液位值。

结合上面所述，已经了解了该方法和装置的基本工作原理和机械结构，下面将总结一下本发明的方法与装置。

1.在线检定方法概要

接收一个来自激光测距标准装置的信号，它表示的是激光从激光测距标准装置发射并且经反射镜反射到反射盘上，然后从反射盘发射到反射镜，经反射镜反射，最终进入接收器中；

计算反射盘到激光测距标准装置参考面的距离，根据参考面116与激光测距标准装置参考面在直线上的差，可以计算得到反射盘到参考面116的距离；

根据反射盘与液面的高度差，计算得到液面到参考面的距离，也就是实际液位值；

接收一个来自雷达液位计的信号，它代表的是从液面反射回来的电磁波；

计算液面的检测距离；

对比实际液位值与检测液位值，得到示值误差；

2.关于方法1，进一步的说明：

处理液位计与激光测距标准装置的信号要同时进行，确认信号所代表的是同一个时刻的同一液面的高度。

3.关于方法1，在示值误差超出规定范围时，将要对液位计进行下面所述的自校准，如果在之后的检定中，还将出现示值误差超标的情况，将要送厂返修。

4.实时自校准方法概要：

接收一个或者多个来自激光标定装置的信号，它分别代表着各个参考板到激光标定装置参考面的距离；

计算各个参考板到参考面的距离，即为参考板的标准距离；

接收一个来自液位计的信号，它代表的是在罐中，从液面和一个或者多个参考板反射回来的电磁波；

计算出液面的检测距离和参考板的检测距离；

基于参考板的检测距离和它的标准距离，得出一个修正系数；

利用修正系数和液面的检测距离，计算出正确的液位值；

5.关于方法4，进一步的说明：

当罐体还未开始正常工作时，通过激光测距标定装置得到参考板的距离，作为参考板的标准距离；

6.关于方法4中，如何在信号中鉴定液面和参考板：

鉴别信号中最高级别的振幅，作为液面反射峰值；

鉴别信号长次级别的振幅，作为参考板的反射峰值；

7.关于方法4中，对于修正系数的计算过程：

计算相应的参考板的检测距离和标准距离，得到一个或者多个修正系数，对其取平均值，得到最终的修正系数；

8.在线检定装置描述

一个上位机、一个雷达液位计和一个激光测距标准装置；

通过激光测距标准装置，得到实际液位值；

通过雷达液位计，获得检测液位值；

在上位机中，通过计算获得示值误差，得到检定结果。

9.关于装置8，它的参考面的计算

在此装置中有两个参考面，第一是激光测距标准装置的参考面，第二为参考面116，我们以第二参考面116为总基准面，将所有最终结果，都是以此参考面作为基准，进行计算。

10.实时自校准装置描述

一个上位机、一个雷达液位计和一个激光测距标定装置；

通过激光测距标定装置，得到各个参考板的标准距离；

通过雷达液位计，得到液面检测距离和参考板的检测距离；

在上位机中，基于参考板的检测距离和标准距离，得到修正系数；

利用修正系数与液面检测距离，得到正确的液位值；

11.关于装置，上位机中的参考板标准数据，应该在储罐未正式工作之前，对其进行测量，并且存储。

Claims (1)

1.雷达液位计在线检定及实时自校准方法，该方法所使用的装置包括激光测距标准装置、雷达液位计和导波管，所述的导波管包括并排设置的主管与副管，主管与副管的两端均开放且相互连通，其中雷达液位计设置在主管上开放端，在雷达液位计与主管上开放端之间设置有参考面，主管下开放端伸入储液罐的液体中；副管上开放端设置有斜向的反射镜，副管下开放端伸入储液罐的液体中，在副管内还设置有浮于液体上的反射盘，激光测距标准装置正对反射镜设置，其出射激光经反射镜反射后进入副管中，在副管中的激光与反射盘所在的平面垂直，所述的激光测距标准装置和雷达液位计均与上位机信号连接；所述的主管内水平设置有多块参考板，参考板在管内的长度由上至下依次递增；

其特征在于该方法具体是：

上位机向雷达液位计发送一个读取液位信号，雷达液位计通过天线将电信号转化成电磁波发射，电磁波遇到液面或者参考板后产生回波信号，回波信号经雷达液位计信号转换后发送给上位机；其次，上位机同样向激光测距标准装置发送一个读取液位信号，激光测距标准装置产生一个激光信号，经反射盘反射后，接收反射信号，反射信号发送给上位机；

上位机根据反射盘厚度以及激光测距标准装置的反射信号，对所得到的数据进行修正，得到标准的实际液位值；上位机对实际液位值和雷达液位计所测得的液位值进行比对，得到示值误差，根据示值误差判断其是否超出标准设定，如果超出，将进入雷达液位自校准阶段；如果没有超出，则判断检定次数是否达到设定值；

所述的雷达液位自校准阶段，具体是：

首先利用雷达液位计，接收来自参考板和液面的电磁反射波信号，利用该电磁反射波信号计算出参考板和液面的检测值；

然后将参考板的检测值与它们各自的标准值进行比较，得到检测值和标准值之间正确的比例修正系数；

最后基于正确的比例修正因数和液面的检测值得到正确的液位值；

其中雷达液位自校准阶段中的参考板的标准值由激光测距标定装置事先测量得到，所述的激光测距标定装置包括采用激光测距仪、移动座和安装盘，安装盘利用紧固件固定于参考面上，移动座活动设置在安装盘的移动槽内，激光测距仪设置在移动座内，在移动座两侧装有显示格，其与安装盘上的刻度对应，所述的刻度与主管的参考板对应，即移动座移至刻度中的某一格，则激光就打到相应的参考板上。