雷達液位計物位計
物位是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的測量參數(shù)之一，非接觸式測量方法是近些年測量物位的重要方法。較成熟的非接觸測量技術有超聲波技術和核輻射技術。核輻射技術因有放射源，應用需特別批準，故只用于其他方法不能解決的場合，應用受到限制。超聲波技術近年來發(fā)展較快，價格也有所降低，是目前應用最廣泛的非接觸式測量方法，但超聲波必須借助媒質傳播，在物位測量中通常以空氣作傳播媒質，而氣相媒質的溫度、濕度、組分等的變化都會影響超聲波傳播速度，故測量時需要進行補償。
1998年，在過程檢測領域出現(xiàn)了高性能、低價格的微博物位計（雷達物位計）。微博的傳播不受上述因素影響，特別是在化工、石化等過程工業(yè)領域，由于被測物位介質普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發(fā)、冷凝等復雜工況，而且有防爆要求，故比起超聲波物位計，它更有優(yōu)勢。近年來超高頻半導體器件技術的發(fā)展，低價、高性能的微博物位計（雷達物位計）的推出，使其能有較低的價格用于過程檢測。
對于大型儲罐，存儲易凝結、懸濁液、黏稠及具有腐蝕性液體的液位測量時，適于采用雷達液位計。它的特點是：無位移、無傳動部件、非接觸式測量，不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制；同時雷達液位計沒有測量盲區(qū)，液位測量誤差僅為0.1~1.0mm，分辨率達1~20mm。即可用于工業(yè)測量，也可用于計量。圖3-20所示為雷達液位計。
1.測量原理
各種物體發(fā)射的自然輻射頻率遍布整個電磁波譜，通常將波長在0.001~1m，頻率從300MHz~3000GHz范圍內的電磁波稱為微波。微波既具有電磁波的特性，又與普通的無線電波和光波不同，其特點如下：
①定向傳播。利用這一特點，通過方向性較強的天線，可將微波定向傳輸?shù)娇臻g。
②準光學特性。具有與光波近似的特性，即從一種媒介進入到另一種媒介時，將產(chǎn)生折射與反射。介質導電性越好或介電常數(shù)越大，回撥型號的反射效果越好。遇到金屬平面時，將發(fā)生全反射，其繞射能力差。
③傳輸特性好。傳播速度相當于光速，可以穿透空間云層、霧和小雨，受粉塵、煙霧、強光等干擾源的影響小。對環(huán)境遙感和軍事應用十分有利。
④介質對微波的吸收與介電常數(shù)成正比，水對微波的吸收作用最強。
雷達液位計采用高頻振蕩器作為微波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的微波用波導管引到輻射天線，并向下射出。當微波遇到障礙物，如液面時，部分被吸收，部分被反射回來。通過測量發(fā)射波與液位發(fā)射波之間的某種參數(shù)關系來實現(xiàn)大型儲罐中液位的測量。頻率越高，發(fā)射角越小，單位面積上能量（磁通量或場強）越大，波的衰減越小，雷達液位計的測量效果越好。
雷達式液位計主要由發(fā)射和接收裝置、信號處理器、天線、操作面板、顯示、故障報警等幾部分組成。發(fā)射--反射--接收是雷達液位計工作的基本原理，如圖3-21所示。
雷達傳感器的天線以波束的形式發(fā)射最小5.8GHz的雷達信號，反射回來的信號仍由天線接收，雷達脈沖信號從發(fā)射到接收的運行時間與傳感器到介質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為雷達波發(fā)射到接收的間隔時間。
2.應用特點
微波和超聲波都是采取向被測目標發(fā)射波并接收目標反射波來計算距離、測量物位的，因此都需要一個波發(fā)生器及一個波接收器，具體的差別如表3-1所示
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類 別 |
微 波 |
超聲波 |
波類型 |
電磁波 |
機械波 |
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 |
需溫度補償 |
傳播速度影響 |
約3*108m/s |
約344m/s |
測量盲區(qū) |
到天線頂端 |
離輻射面大于250mm |
動態(tài)范圍 |
高達150dB |
高達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 |
主要技術因素如下：
①響應回波強度的因素。微波以光速傳播，速度幾乎不受介質特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2dB/km?；夭ㄐ盘枏娙鹾艽蟪潭热Q于被測液面上的反射情況。在被測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介電常數(shù)εr。相對節(jié)點常數(shù)高，反射率也高，得到的回波也強。對于普及型的雷達液位計，通常要求被測物料介電常數(shù)εr＞4，對于更低介電常數(shù)的物料，要求增設波導管來增強回波信號，或選用較復雜的雷達，通常的測量下限是εr＞20.
②數(shù)據(jù)和信息的傳送。對于高精度雷達，通常提供RS-232/485通信接口和計算機直接通信。對于目前大量使用的普及型雷達，則提供傳統(tǒng)的4~20mA DC模擬信號來代表物位、距離或體積。一般還在其上疊加HART數(shù)字信號，或提供各種協(xié)議的現(xiàn)場總線數(shù)字通信。
③對人體健康的影響。微波輻射會引起人和動物的損失，這是眾所共知的。一般對外泄露的微波功率密度通常限制在1~10mW/cm2,不會對人體健康造成損傷，而物位測量中雷達系統(tǒng)功率密度約為0.125mW/cm2，低于臨界值，所以雷達物位計不會有這方便的問題。
由于雷達液位計采用了先進的回波處理和數(shù)據(jù)處理技術，加上雷達波本身頻率高、穿透性好的特點，所以雷達液位計具有比接觸式液位計和同類非接觸式液位計更加優(yōu)良的性能。
①可在惡劣條件下連續(xù)準確得測量；
②操作簡單，調試方便。
③準確安全且節(jié)省能源；
④無需維修且可靠性強；
⑤幾乎可以測量所有介質。
3安裝應注意的問題
①當測量液態(tài)物料是，傳感器的軸線和介質表面保持垂直；當測量固態(tài)物料時，由于固體介質會有一個堆角，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)內有障礙裝置（因為障礙裝置越近，虛假反射信號越強）。若實在避免不了，建議用一個折射板將過強的虛假反射信號折射走。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濾出。
③要避開進料口，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增強），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渦流的地方，如由于攪拌或很強的化學反應等，建議采用導波管或旁通管測量。
⑥若傳感器安裝在接管上，天線必須從接管伸出來。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關于導波管天線，導波管內部一定要光滑，下面開口的導波管必須達到需要的最低液位，這樣才能在管道中進行測量。傳感器的類型牌要對準導波管開孔的軸線。若被測介電常數(shù)小于4，需在導波管末端安裝反射板，或激昂導波管末端彎成一個彎度，將容器底的反射回波折射走。
