雷達(dá)液位計(jì)物位計(jì)
物位是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的測(cè)量參數(shù)之一，非接觸式測(cè)量方法是近些年測(cè)量物位的重要方法。較成熟的非接觸測(cè)量技術(shù)有超聲波技術(shù)和核輻射技術(shù)。核輻射技術(shù)因有放射源，應(yīng)用需特別批準(zhǔn)，故只用于其他方法不能解決的場(chǎng)合，應(yīng)用受到限制。超聲波技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，價(jià)格也有所降低，是目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測(cè)量方法，但超聲波必須借助媒質(zhì)傳播，在物位測(cè)量中通常以空氣作傳播媒質(zhì)，而氣相媒質(zhì)的溫度、濕度、組分等的變化都會(huì)影響超聲波傳播速度，故測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)償。
1998年，在過(guò)程檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了高性能、低價(jià)格的微博物位計(jì)（雷達(dá)物位計(jì)）。微博的傳播不受上述因素影響，特別是在化工、石化等過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，由于被測(cè)物位介質(zhì)普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發(fā)、冷凝等復(fù)雜工況，而且有防爆要求，故比起超聲波物位計(jì)，它更有優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)超高頻半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，低價(jià)、高性能的微博物位計(jì)（雷達(dá)物位計(jì)）的推出，使其能有較低的價(jià)格用于過(guò)程檢測(cè)。
對(duì)于大型儲(chǔ)罐，存儲(chǔ)易凝結(jié)、懸濁液、黏稠及具有腐蝕性液體的液位測(cè)量時(shí)，適于采用雷達(dá)液位計(jì)。它的特點(diǎn)是：無(wú)位移、無(wú)傳動(dòng)部件、非接觸式測(cè)量，不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制；同時(shí)雷達(dá)液位計(jì)沒(méi)有測(cè)量盲區(qū)，液位測(cè)量誤差僅為0.1~1.0mm，分辨率達(dá)1~20mm。即可用于工業(yè)測(cè)量，也可用于計(jì)量。圖3-20所示為雷達(dá)液位計(jì)。
1.測(cè)量原理
各種物體發(fā)射的自然輻射頻率遍布整個(gè)電磁波譜，通常將波長(zhǎng)在0.001~1m，頻率從300MHz~3000GHz范圍內(nèi)的電磁波稱為微波。微波既具有電磁波的特性，又與普通的無(wú)線電波和光波不同，其特點(diǎn)如下：
①定向傳播。利用這一特點(diǎn)，通過(guò)方向性較強(qiáng)的天線，可將微波定向傳輸?shù)娇臻g。
②準(zhǔn)光學(xué)特性。具有與光波近似的特性，即從一種媒介進(jìn)入到另一種媒介時(shí)，將產(chǎn)生折射與反射。介質(zhì)導(dǎo)電性越好或介電常數(shù)越大，回?fù)苄吞?hào)的反射效果越好。遇到金屬平面時(shí)，將發(fā)生全反射，其繞射能力差。
③傳輸特性好。傳播速度相當(dāng)于光速，可以穿透空間云層、霧和小雨，受粉塵、煙霧、強(qiáng)光等干擾源的影響小。對(duì)環(huán)境遙感和軍事應(yīng)用十分有利。
④介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介電常數(shù)成正比，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。
雷達(dá)液位計(jì)采用高頻振蕩器作為微波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的微波用波導(dǎo)管引到輻射天線，并向下射出。當(dāng)微波遇到障礙物，如液面時(shí)，部分被吸收，部分被反射回來(lái)。通過(guò)測(cè)量發(fā)射波與液位發(fā)射波之間的某種參數(shù)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)大型儲(chǔ)罐中液位的測(cè)量。頻率越高，發(fā)射角越小，單位面積上能量（磁通量或場(chǎng)強(qiáng)）越大，波的衰減越小，雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量效果越好。
雷達(dá)式液位計(jì)主要由發(fā)射和接收裝置、信號(hào)處理器、天線、操作面板、顯示、故障報(bào)警等幾部分組成。發(fā)射--反射--接收是雷達(dá)液位計(jì)工作的基本原理，如圖3-21所示。
雷達(dá)傳感器的天線以波束的形式發(fā)射最小5.8GHz的雷達(dá)信號(hào)，反射回來(lái)的信號(hào)仍由天線接收，雷達(dá)脈沖信號(hào)從發(fā)射到接收的運(yùn)行時(shí)間與傳感器到介質(zhì)表面的距離以及物位成比例，即：
h=H-ut/2
式中
h為料位；H為槽高；u為微波速度；t為雷達(dá)波發(fā)射到接收的間隔時(shí)間。
2.應(yīng)用特點(diǎn)
微波和超聲波都是采取向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射波并接收目標(biāo)反射波來(lái)計(jì)算距離、測(cè)量物位的，因此都需要一個(gè)波發(fā)生器及一個(gè)波接收器，具體的差別如表3-1所示
|
類 別 |
微 波 |
超聲波 |
波類型 |
電磁波 |
機(jī)械波 |
反射特性 |
在不同介電常數(shù)的界面上反射 |
在不同聲阻抗率介質(zhì)的界面上反射 |
壓力影響 |
微不足道 |
很小 |
溫度影響 |
微不足道 |
需溫度補(bǔ)償 |
傳播速度影響 |
約3*108m/s |
約344m/s |
測(cè)量盲區(qū) |
到天線頂端 |
離輻射面大于250mm |
動(dòng)態(tài)范圍 |
高達(dá)150dB |
高達(dá)100dB |
傳播環(huán)境 |
很少受氣相環(huán)境影響 |
要求均一的氣體環(huán)境 |
主要技術(shù)因素如下：
①響應(yīng)回波強(qiáng)度的因素。微波以光速傳播，速度幾乎不受介質(zhì)特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2dB/km。回波信號(hào)強(qiáng)弱很大程度取決于被測(cè)液面上的反射情況。在被測(cè)液面上的反射率除了面積及形狀因素外，主要取決于物料的相對(duì)介電常數(shù)εr。相對(duì)節(jié)點(diǎn)常數(shù)高，反射率也高，得到的回波也強(qiáng)。對(duì)于普及型的雷達(dá)液位計(jì)，通常要求被測(cè)物料介電常數(shù)εr＞4，對(duì)于更低介電常數(shù)的物料，要求增設(shè)波導(dǎo)管來(lái)增強(qiáng)回波信號(hào)，或選用較復(fù)雜的雷達(dá)，通常的測(cè)量下限是εr＞20.
②數(shù)據(jù)和信息的傳送。對(duì)于高精度雷達(dá)，通常提供RS-232/485通信接口和計(jì)算機(jī)直接通信。對(duì)于目前大量使用的普及型雷達(dá)，則提供傳統(tǒng)的4~20mA DC模擬信號(hào)來(lái)代表物位、距離或體積。一般還在其上疊加HART數(shù)字信號(hào)，或提供各種協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字通信。
③對(duì)人體健康的影響。微波輻射會(huì)引起人和動(dòng)物的損失，這是眾所共知的。一般對(duì)外泄露的微波功率密度通常限制在1~10mW/cm2,不會(huì)對(duì)人體健康造成損傷，而物位測(cè)量中雷達(dá)系統(tǒng)功率密度約為0.125mW/cm2，低于臨界值，所以雷達(dá)物位計(jì)不會(huì)有這方便的問(wèn)題。
由于雷達(dá)液位計(jì)采用了先進(jìn)的回波處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，加上雷達(dá)波本身頻率高、穿透性好的特點(diǎn)，所以雷達(dá)液位計(jì)具有比接觸式液位計(jì)和同類非接觸式液位計(jì)更加優(yōu)良的性能。
①可在惡劣條件下連續(xù)準(zhǔn)確得測(cè)量；
②操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。
③準(zhǔn)確安全且節(jié)省能源；
④無(wú)需維修且可靠性強(qiáng)；
⑤幾乎可以測(cè)量所有介質(zhì)。
3安裝應(yīng)注意的問(wèn)題
①當(dāng)測(cè)量液態(tài)物料是，傳感器的軸線和介質(zhì)表面保持垂直；當(dāng)測(cè)量固態(tài)物料時(shí)，由于固體介質(zhì)會(huì)有一個(gè)堆角，傳感器要傾斜一定的角度。
②經(jīng)理避免在發(fā)射角內(nèi)有造成假反射的裝置。特別要避免在距離天線最近的1/3錐形發(fā)射區(qū)內(nèi)有障礙裝置（因?yàn)檎系K裝置越近，虛假反射信號(hào)越強(qiáng)）。若實(shí)在避免不了，建議用一個(gè)折射板將過(guò)強(qiáng)的虛假反射信號(hào)折射走。這樣可以減小假回波的能力密度，使傳感器較容易地將虛假信號(hào)濾出。
③要避開(kāi)進(jìn)料口，以免產(chǎn)生虛假反射。
④傳感器不要安裝在拱形罐的中心處（否則傳感器受到的虛假回波會(huì)增強(qiáng)），也不能距離管壁很近安裝，最佳安裝位置在容器半徑的1/2處。
⑤要避免安裝在有很強(qiáng)渦流的地方，如由于攪拌或很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)等，建議采用導(dǎo)波管或旁通管測(cè)量。
⑥若傳感器安裝在接管上，天線必須從接管伸出來(lái)。喇叭口天線伸出接管至少10mm.可以采取加大接管直徑的方法，以減少由于接管產(chǎn)生的干擾回波。
⑦關(guān)于導(dǎo)波管天線，導(dǎo)波管內(nèi)部一定要光滑，下面開(kāi)口的導(dǎo)波管必須達(dá)到需要的最低液位，這樣才能在管道中進(jìn)行測(cè)量。傳感器的類型牌要對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)波管開(kāi)孔的軸線。若被測(cè)介電常數(shù)小于4，需在導(dǎo)波管末端安裝反射板，或激昂導(dǎo)波管末端彎成一個(gè)彎度，將容器底的反射回波折射走。
