导波雷达液位测量技术的新发展 - 上海飞卓电子科技公司企业论坛 - 中国自动化企业中心

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发表人：飞卓电子

发表时间：2008/8/3 2:05:00

本栏论题：

导波雷达液位测量技术的新发展 [8118]

    总观工业仪表的发展进程，每种新的测量技术都是为解决工业过程测量中的某些难题而发展起来的，从而提高了测量技术的水平并带来相应的工业效应。近几年来，由于雷达液位仪表测量精度高、使用范围广而受到广大技术人员的欢迎。有人认为，雷达液位测量技术是一种全能的液位测量技术，可应用于所有介质的液位测量。果真如此吗？笔者认为并非如此，雷达液位计有其使用的局限性；而最新出现的导波雷达GWR Guided Wave Rada]液位测量技术则弥补了雷达测量液位中的缺陷，从而具有更广阔的应用前景。
    　　一、雷达与导波雷达
    　　顾名思义，雷达指通过空间传播发射和接收电磁波的液位测量仪表，导波雷达则是通过波导体传导来发射和接收电磁波的液位测量仪表。
    　　用雷达仪表测量液位似乎是完美无缺，它具有以下优点：1、发射与接收天线均不与介质接触；2、高频电磁波信号易于长距离传送，可侧大量程；3、测量不受液面上部空间气相条件变化的影响。许多雷达液位仪表制造商认为，对该仪表惟一的挑战是需要将价格降到可与其它液位仪表相匹敌的水平即可全面推广应用。但随着雷达仪表越来越多的使用，其缺点也越来越明显。
    　　雷达通过反射和接收高频[GHZ]级、电磁能量，并计算电磁波达到液体面并反射回到接收天线的时间来进行液位测量；与超声波液位计相比，由于超声波液位计声波传送的固有局限性，雷达液位计性能大大优于超声波液位计。超声波液位计声纳所发出的声波是一种通过大气传播的机械波，大气成分的构成会引起声速的变化，例如液体的蒸发汽化会改变声波的传播速度，从而引起声波液位测量的误差。而电磁能量的传送则没有这些局限性，它可以在缺少空气（真空）或具有汽化介质的条件下传播，并且气体的波动不影响电磁波的传播速度。
    　　雷达液位测量仪表天线的辐射能约为1mW，是一种微弱的信号，当这种信号发射进入空气中传播时，能量减弱的非常快，当信号到达液面并反射回来时，自液面反射的信号强度[振幅、与液面的介电常数有直接关系，介电常数非常低的非导电类介质，如氢类液体，反射回来的信号非常小这种被削弱的信号在返回至安装于罐顶部的接收天线的途中，能量又被进一步削弱，雷达液位计所接收到的返回信号能量小于它所发出信号能量的1%；当液面出现波动和泡沫时，情况就变的更复杂，它将信号散射脱离传播途径或吸收大部分能量，从而使返回到雷达液面功能，能从大量的杂散波中分辨出真实的液位信号，当用于上述介质条件，则石油产品液位，液面波动厉害、起泡沫等、和复杂安装环境情况时，雷达液位仪表制造厂商不得不降低其仪表性能指标或干脆拒绝在这种场所使用。
    　　为了弥补雷达液位计的这些缺陷，导波雷达液位仪表运用而生，导波雷达的工作原理与常规通过空间传播电磁波的雷达非常相似，GWR的基础是电磁波的时域反射性TDR[TIME DO MAIN REFECTORY]多年来TDR一直被用于检测发现埋地电缆和墙内埋设电缆的断头。
    　　测电缆断头时，TDR发生器发出的电磁脉冲信号沿电缆传播，遇到断头时，就会产生测量反射脉冲；同时，在接收器中预先设定好的与电缆总长度相应的阻抗变化也引发出一个基本脉冲，将反射脉冲与基本脉冲相比较，可精确测出断头的位置。
    将该原理用于液位测量时，TDR发生器每秒中产生20万个能量脉冲并发送入波导体与液体表面的接触时，由于波导体在气体中和液体中的导电性能大不相同，这种波导体导电性的改变使波导体的阻抗发生聚燃变化，从而产生一个液位反射原始脉冲，同时在探头的顶部具有一个预先设定的阻抗，该阻抗导致一个可靠的基本脉冲发生，该脉冲又称为基线反射脉冲。雷达液位计检查到液位反射原始脉冲，并与基线反射脉冲相比较，计接受天线的信号更加弱小或无信号；另外当储罐中有混合搅拌器、管道、梯子等障碍物时，这些障碍也会反射电磁波信号，从而产生虚假的液位信号；这就是雷达液位仪表真实的工作过程。
    　　正因为如此，尽管雷达液位仪表的变送环节具有功能完善的微处理器，有较强的信号处理和分辨从而计算出介质的液位高度。高导电性介质[例如水等、液位产生较强的反射脉冲，而低导电性介质[如烃类、产生反射较弱，低导电性介质使得某些电磁波能沿着探头[波导体、穿过液面继续向下传播，直至完全消散或被一种较高导电性的介质反射回来，这就使我们有可能采用GWR测量两种液体的界面[如油/水界面]等，条件是界面下的液体介电常数应远远高于界面上液体的介电常数。
    　　二、导波雷达的优点
    　　完善的液位测量仪表应是与介质无接触，甚至是对容器无侵入的仪表，且不污染环境、无副作用、长期可靠、安装简便，人们一直在反复地对现有各种测量方法进行筛选，比较其长处和短处，试图找出一些最好的测量的测量方法以适应石油化工测量对象。导波雷达采用一个波导体[探头、传播电磁能量，具有常规通过空间传播电磁波的雷达液位仪表的全部性能，并具有如下独特的优点，可很好地用于石油化工设备中烃类及其它介质液位的测量。
    　　1、能耗低。GWR输出到波导探头的信号能量非常小，约为常规雷达发射能量[1mW]的10%[约0.1mW]。这是因为波导体为信号至液面往返传输提供一条快捷高效的通道，信号的衰减保持在最小程度，因而可用以测量介电常数非常低的介质液位；另外由于导波雷达耗能小，采用回路供电而不是单独的交流供电，从而大大节省了安装费用。
    　　2、由于信号在波导体中传输不受液面波动和储罐中的障碍物等的影响，因而仪表所接收到的返回信号能量相应较强，约为所发射能量的20%[既0.02mW]，而且返回信号中的干扰性杂散信号极小，基本对测量信号无影响。
    　　3、介质介电常数的变化对测量性能无明显影响。导波雷达和常规雷达一样，采用传输时间来测量介质液位，信号自烃类[介电常数2~3]液体表面或自水[介电常数80]面反射回传的时间一样的，不同的只是信号幅度[强度]的差别。普通雷达须考虑介质的影响，比较难辩识返回的各种信号，从杂散信号中检出真正的液位信号，而导波雷达仅需测量电磁波的传输时间即可，无需信号的处理和辨别。
    　　4、由于光速电磁波、是恒定的，不需要任何迁移来改变仪表量程，不需现场标定，仅需现场输入有关参数即可使用。多台仪表在效验台上仅需几分钟即可组态调校完毕，在组态时，需接上24VDC电源并提供每个储罐的测量参数。
    　　5、介质密度的变化对测量无影响，介质密度的变化影响浸没于介质中物体所受到的浮力，但不影响电磁波在波导体中的传播。
    　　6、雾气和泡沫对测量无影响，由于电磁波不通过空间传播，因而雾气不会引起信号的衰减，泡沫也不会对信号进行散射而损失能量。
    　　7、介质在波导体上的沉积和涂污对液位测量的影响极小。介质在探头上的涂污对测量液位的影响可分为两种：膜状涂污和桥接。膜状涂污是在液位降低时，高粘液体或轻油浆在探头上形成的一种覆盖层。由于这种涂污在探头上涂层均匀，因此对测量基本无影响；但桥接性涂污的形成却能导致明显的测量误差，，当块状或条状介质污垢粘结于波导体上或桥接于两个波导体之间时，就会在该点测得虚假液位。导波雷达液位测量技术的进一步发展，将有可能减少或完全消除这种测量误差。
    　　8、导波雷达液位计的价格基本上同其他常用的液位测量仪表（如浮筒液面计等）相当，远远低于常规交流供电、电磁波在空间传播的普通雷达液位计。
    　　三、导波雷达液位计与其他液位测量仪表的比较
    　　1、雷达仪表的比较。
    　　目前雷达液位仪表有3种：常规的空间传播式交流供电雷达液位计、新型的空间传播式24VDC回路供电雷达液面计和导波雷达液面计，其性能对比如下：
    　　影响空间传播式雷达液面计使用的主要问题是：低介电常数液体介质反射信号弱，信号衰减严重，液位波动和泡沫散射引起信号减弱，罐内障碍物反射引起虚假信号，为此就需要发射较强的电磁波信号，并采用功能强的微处理器进行复杂的信号处理。这就使得常规交流供电雷达液位计价格非常昂贵，但仍难以较好的解决在上述条件下的液位测量问题。
    　　当采用24VDC回路供电时，其微处理器能力降低，发射信号强度减小，使得反射信号能量更少，其性能大大低于常规雷达液面计，在上述条件下测量液位的效果更差。
    　　24VDC[二线制]回路供电空间传播式雷达液位计的特点是硬件成本比常规雷达低得多，安装成本底。由于由于采用回路供电，24V DC电源在4 MA电源时所供给液位计本身使用能量低，为此必须首先大大降低天线发射的信号能量，进而要采用低能量的微处理器来处理信号，并且要在较长的周期内对返回信号取平均值，以比较准确地计算液位。这就使得响应时间和测量周期变长，测量精度降低，明显地限制了雷达测量液位的优越性，降低了仪表的性能，但其价格相应较低，适用于介电常数较高的液体，测量条件较好[波动小、无泡沫、无障碍物]的场所。
    　　导波雷达也是采用24V DC回路供电[二线制]，发射信号能量小，但由于信号沿波导体传播，信号能量损失小，反射返回并接受到的信号比常规交流供电的雷达还强，且杂散信号非常小仪表性能和测量精度与常规220V AC 交流供电空间传播的雷达相同，但其安装成本和运行成本低，测量不受介电常数的限制，在液位波动及储罐内有障碍物的情况下仍不影响测量，这就使得它的用途更加广泛。
    　　导波雷达与其他液位仪表的比较。液位测量技术发展到今日，已出现许多种成熟可靠的液位测量仪表，以其不同的性能和特定的适用范围在不同条件的液位测量中发挥着重要的作用。压力/压差测量液位法、射频导纳/电容液位计、超声波液位计和扭管式浮筒液位计等都已在工业上有了数十年的成功使用经验，但导波雷达液位计以其具有明显的使用优点及性能更加引起广大技术人员的注意。
    　　四、结论
    　　采用导波雷达，优于采用昂贵的常规雷达液面计。导波雷达液位计在许多复杂条件下使用时，综合性能优于其他常规液位测量技术。导波雷达液位计不受工艺复杂条件的限制，如低介电常数和变介电常数（会影响射频导纳/电容式液面计工作）、变介质密度[影响浮筒和压力/差压式液面计工作]、气化、泡沫/液面波动[影响超声波液面计工作]等的影响，可很好地解决这些介质条件下的液位测量。
    　　对于一般介质条件，各种液位测量仪表均可采用，但采用24V DC回路供电雷达和导波雷达比采用浮筒液位计和交流供电雷达成本要低得多。
    　　我们在选用液位仪表时，应区别不同介质工作条件及过程要求，选用成本低、精度高、价格适中、性可靠的测量仪表。

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