雷达物位计原理及应用

雷达物位计原理及应用

刘爽、梁博秋、李华东、黄刚

重庆川仪自动化股份有限公司，重庆401121

摘 要：在各类现场工况中，一般会使用到各种各样的测量仪表。要对罐体或仓体要进行物位测量的话，那么物位仪表的功能就体现出来了。雷达物位计是物位仪表家族中的一种，其结构由发送/接收器、天线、信号处理器、显示器组成，为短量程到长量程连续物位测量提供了可靠的方法，可实现就地显示和远距离显示，精确度高，适用于生产工况条件恶劣、环境条件较差、高温高压等情况下的物位测量。

关键词：物位测量；雷达物位计；精确度高；高温高压

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0 引  言

随着物位测量技术的日新月异，物位仪表的测量原理越来越多样化，目前大致可分为目视法、测力法、压力法、电特性法以及辐射法这五大测量原理。由于测量原理的不同，衍生出了现在多种多样的物位仪表，像以前最基础人工检尺、玻璃管就属于目视法的测量原理；从性价比上来说，磁翻板液位计属于是简单液体工况的使用仪表主流，它就是属于测力法的测量原理；从点位测量来讲，目前市面上的点位测量主流产品就是开关系列（音叉开关、射频导纳开关、阻旋开关）点位测量的开关系列就属于是电特性法的原理；从辐射法的原理来说，连续测量的主流产品就是雷达物位计（非接触式的脉冲雷达、调频连续波雷达，接触式的导波雷达）。

1 脉冲雷达物位计使用原理

脉冲雷达物位计是基于时间行程原理的“俯视式” 测量系统。该仪表是通过从雷达天线发射1mW的微功率微波脉冲（如26G频率雷达，即：发送一个△t—1nS的脉冲，叠加26GHz的正弦波信号），这个脉冲以光速在空间传播，接触到被测介质表面，其部分能量被反射回来，被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。

天线接收物料表面反射回的微波脉冲信号，并将其传输给电子部件。微处理器对信号进行处理，识别微波脉冲在物料表面所产生的回波信号。正确的回波信号识别由智能软件完成，精度可达到毫米级。测量距离D与脉冲的时间行程t成正比：

D=c*t/2——其中c为光速

根据已知的空罐值E，则物位L为：

L=E-D——空罐值E的参考点见下图1

图1脉冲雷达测量图

2 调频连续波雷达物位计使用原理

80G雷达物位计为W波段(80GHz)调频连续波雷达物位仪表，适用于各种液体介质和固体介质的连续物位测量，最大量程120m。

80G雷达物位计是基于调频连续波技术的先进测量系统。雷达物位计通过天线传感器发射连续的微波信号，该发射信号的频率由锯齿波进行线性调制。连续发射的微波信号遇到被测介质表面时，由于介电常数发生突变，微波信号的部分能量被连续的反射回来，并被透镜天线系统所接收。

接收信号的频率与发射信号的频率总是存在差值的，而该差值与雷达天线到被测介质表面的距离成正比，越大的频率差值代表着越远的物料距离。由式(1)即可计算出被测物质到仪表法兰的距离。

D=1/2 ·c ·(ΔF/R) (1)

其中D为测量参考面到被测介质的距离，c为光（电磁波）在真空的的传播速度，ΔF为接收信号与发射信号的频率差，R为发射信号频率随时间的变化率。

然后根据用户设定的空料位位置，由式(2)即可计算出物料高度。

L=E-D (2)

其中E为测量参考面到用户设定的空料位位置，D为测量参考面到被测介质的距离，L为物料高度。

图 2 调频连续波雷达测量图

3导波雷达物位计使用原理

导波雷达物位计是基于ToF行程时间（Time of Flight）原理的“俯视”式测量仪表。高频脉冲信号被发射至探头并沿探头传播，当遇到物料表面时发生反射，反射信号沿探头返回，并被仪表接收。通过独特的等效采样技术，将脉冲发射到接收之间的时间差转化为仪表参考点（仪表过程连接处）到物料表面的距离，进而计算出物位。此测量方法即为TDR时域反射法(Time Domain Reflectometry)。 反射脉冲信号沿探头传递至仪表的电子单元，其中微处理器分析所接收的信号以识别出真正的物位回波信号。正确的回波信号的识别由智能软件完成，测量距离D与脉冲的行程时间t成正比：D=c*t/2——其中c为光速。根据已知的空罐高度E，则可计算出物位L =E-D——空罐高度E的参考点见下图3。

图3导波雷达测量图

4雷达物位计的应用领域

雷达物位计具备不挂料、高性能、高可靠性、免维护、自动吹扫，运行生存年限长等优势，在与电容、音叉等接触式仪表对比，具备了无可比拟的优良性。由于微波是电磁波，以光速传播且不受介质特性影响，所以在一些有温度、压力、蒸汽等场合，超声波物位计不能正常工作，而雷达物位计可以使用。即使高温度、高压力、强腐蚀介质、易挥发介质、带搅拌湍流、结垢挂料及高度粉尘等工况下也能进行可靠测量。主要应用领域包括：

（1）污水处理

（2）水力发电

（3）高低加压

（4）锅炉汽包

（5）原料储罐

（6）干熄焦炉

由于调频连续波雷达物位计的特性，导致它的应用范围十分广泛。

适合安装于带搅拌、加热管、梯子等障碍物的容器。较小的波束角可以使波束避开内部障碍物，无干扰回波，保证仪表的准确测量。

电磁频率采用W波段，辐射能量大，聚焦性强，适合测量低介电常数的介质。

固体类雷达可以达到120 m测量范围，适合于超大量程的测量。

具有丰富的回波处理算法和各类工矿环境的经验数据；对强粉尘、蒸汽等极恶劣工况以及带搅拌、加热棒等特殊过程仓储罐体应用，具有其他同类产品所没有的独特优势。

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[参 考 文 献]

[1] 高红博.浅析雷达物位计的应用[J].中国仪器仪表，2016，（09）:

[2] 冷雄燕.浅析雷达物位计在测量中的应用[J].机械管理开发.2016,31(02);

[3] 张文萍，张鲁兰，王彬，张青松.雷达物位计在生产中的应用探讨[J].大氮肥，2010.33（03）:

[4] 姬晓波,涂亚庆,任开春,张海涛.雷达液位仪测量原理的分析及应用探讨[J].石油化工自动化.2005(01)

[5] 姚琳.雷达料位计在氧化铝生产中的应用[J].自动化与仪器仪表.2005(04)

基金项目：国家重点研发计划（2018YFB2003900）“特种工况实时在线测量仪表开发与示范应用项目子课题五-特种工况实时在线液位计开发”。

作者简介：刘爽（1995—），男，重庆人，工学学士，助理工程师，从事物位仪表现场工艺。