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雷达物位传感器的测量原理
雷达物位传感器基于时域反射（TDR）原理，通过发射26GHz或80GHz高频电磁波并计算回波时间差实现物位测量。电磁波在空气中传播速度接近光速（3×10⁸m/s），1ns的时间分辨率对应15cm的测量精度。某石化储罐实测显示，80GHz传感器对ε=1.8的柴油测量误差仅±2mm，比超声波传感器精度提高5倍。最新相位干涉技术可识别0.1°的相位变化，将分辨率提升至0.1mm级。传感器通常采用FFT算法处理回波信号，能在-40～200℃环境稳定工作。
关键词:BX-G3028 高精度导波雷达液位计
分体式导波雷达液位计 导波雷达物位仪 液位计 雷达液位计
技术参数:
适用介质:液体，是高温高压环境里的液体 应 用:密封罐，压力较大的液体测量 防爆认:Exia IIC T6 Ga/ Exd IIC T6 Gb 测量范围:15m 频率:500MHz-1.8GHz 天 线:单杆或单缆式 测量精度:±10mm 过程温度:（-200～400）℃ 过程压力:（-0.1～40）MPa 信号输出:（4～20）mA/HART 现场显示:四位LCD 可编程 电源:两线制（DC24V)/四线制（DC24V/AC220V） 外壳:铝 单腔/铝 双腔/塑料/不锈钢 单腔 过程连接:螺纹/法兰（选配）
昌晖仪表介绍一种由双法兰液位变送器和导波雷达液位计组成的真空制盐蒸发罐液位测量技术方案，本方案大程度克服生产中强腐蚀、结晶堵塞、真空、高温、泡沫等因素对仪表的影响，经制糖、海绵钛和制盐的真空蒸发室液位测量应用，明此真空蒸发室液位测量系统可长期、稳定和地运行。
真空制盐是当今世界普遍采用的现代化制盐方法，指卤水在不同真空压力状态下的蒸发罐中进行蒸发，逐级浓缩、结晶制盐的过程。制盐过程中核心工序是蒸发，生产中通过蒸发罐中液位变化计算水分蒸发量，并达到控制溶液浓度的目的。生产中，强腐蚀、结晶堵塞、真空、高温同时存在，导致制盐蒸发罐液位测量仪表损坏率高，生产自动化控制系统无法正常运行。论文将重点阐述真空制盐蒸发罐液位测量方法。
真空制盐蒸发工艺
真空蒸发技术起源于1812年英国糖厂的单效真空蒸发,1887年美国将此技术用于制盐，1940年开始应用于中国制盐行业。
图1 真空制盐流程图
蒸发是液体表面发生汽化或溶液部分汽化的现象，蒸发时液体不断吸收热量，温度越高蒸发越快，溶液沸腾时蒸发速度快。根据蒸发罐内压力，蒸发分为加压蒸发、常压蒸发或负压蒸发，在负压下的蒸发，我们称为真空蒸发。应用广的是采用强制循环真空蒸发器，如图2。
图2 强制循环真空蒸发器
制盐企业为提高竞争力，不断降低成本、提高产品质量，同时满足减排，就对蒸发工艺进行改进，提高自动化控制水平，使蒸发效率达到佳状态。
实行多效蒸发生产目的是为了多次重复利用二次蒸汽，以降低单位产品的能耗，有效节约能源。蒸汽利用的次数就是效数。蒸发效数越多，蒸汽用量越少，能耗越低，但效数增多，会增加设备成本。
真空制盐主要过程为蒸汽加热一效卤水，排出的二次蒸汽逐效加热下一效卤水。通过逐效蒸发，使盐浆增稠，稠料液去离心机脱水，即为盐。每一效蒸发的关键是控制盐浆的浓度，而盐浆有较强腐蚀性、容易结垢、粘结，浓度直接测量，通常是通过在封闭蒸发室中蒸发前后的液位比来间接控制盐浆浓度。所以制盐蒸发罐液位测量是真空制盐重要的参数。
真空制盐蒸发罐液位测量技术方案
1、原用方案分析
用人工监测液位的方式，提高产品质量和生产效率，人们逐渐用“摄像视频+雷达液位计”，实现自动化实时控制，如图3，应用脉冲雷达液位计连续测量旁通管中的液位。
图3 雷达液位计+窥镜液位测量法
此方案在实际应用中，因盐浆结垢，水平连通管、旁通管经常发生堵塞问题，造成旁通管内液位假象，需频繁停车，拆装法兰并清洗管道。蒸发中，盐浆在蒸发室内因搅拌产生大量的泡沫，使脉冲雷达液位计测量液位假象。人工清洗工作量大，生产成本高，液位测量不准，自动控制连续运行。
2、可长期运行的真空制盐蒸发罐液位测量技术方案
随着仪器仪表技术的发展，市场上已出现真空的液位变送器以及管道清洗技术，为真空制盐蒸发液位监测提供了新思路。在设计、应用中，建议液位监测采用“法兰差压变送器+导波雷达液位计+窥镜”三重组合冗余方案，确保测量的准确性、性、性。设计与安装方案，如图4。
图4 真空制盐蒸发罐液位测量双法兰液位变送器+导波雷达液位计+窥镜液位监测方案
①方案设计说明
a、蒸发室与旁通管间的连接管，从水平改为斜角，角度控制在20°左右，延长结垢清洗周期；
b、在连通管上安装冲洗环和截止阀，可定期自动清洗；
c、在旁通管面部安装雷达液位计；
d、在旁通管另一侧安装20°斜角的法兰短管，再安装双法兰液位变送器，用于液位直接测量。同时在法兰之间加装冲洗环(结构如图5)，冲洗环上配置冲洗用截止阀，可定期清洗；
图5 清洗环结构示意图
e、在旁通管底部可加装一个清洗阀门，大修时可以使用；
f、在蒸发室面部，仍安装采光窗和视频摄像窗；
g、旁通管内径建议在300mm以上，由于蒸发液位较高，毛细管较长，建议采用DN80法兰。
②方案优势
a、双法兰液位变送器可直接测量液位，消除蒸发过程中搅拌产生的泡沫对雷达测量产生的误差，提高测量精度和产品质量；
b、能连续准确测量液位，为生产过程实现自动化控制提供依据；
c、雷达液位计与双法兰液位变送器组合，实现冗余监控，提高自动化控制系统性；
d、倾斜的连接管、法兰短管，可以减少沉淀结垢物的堆积，也便于冲洗；
e、配置冲洗环与截止阀相连，好是电动截止阀，用程序控制，定期对连接管、法兰、旁通管进行清洗，减少管道结垢堵塞的问题，提高设备维护效率， 降低维护成本；
f、保留窥镜，配置视频窗口，以便观察、巡视。
真空制盐蒸发罐液位测量仪表选择与配置
根据上述设计方案，还需配置合适的仪表，才能确保装置正常运行。
1、雷达液位计的选择
在制盐真空蒸发中，卤水因搅拌产生的较厚泡沫，会对脉冲雷达液位计造成干扰，应选用缆式导波雷达液位计，以此测量的性和测量精度。
2、双法兰液位变送器的选择
真空制盐蒸发工段，介质具有腐蚀性、易结晶沉淀，而且环境存在腐蚀性气体，选择双法兰液位变送器时，考虑以下因素:
①双法兰液位变送器的法兰膜片材质建议选择钽材。
②双法兰液位变送器壳体材质可选择316不锈钢。
③冲洗环可选择316L。为结晶颗粒较大，不易排出，建议冲洗孔选择1/2NPT。
④变送器类型选择:真空制盐蒸发器的高度通常在6m以上，属于密封容器，根据方案应选择通径DN80以上的带测量筒的双法液位兰变送器。常见多效真空蒸发，在Ⅰ效、Ⅱ效工作为正压，Ⅲ效、Ⅳ效、Ⅴ效为负压。根据操作压力，Ⅰ效、Ⅱ效可选择标准的双法兰液位变送器，而Ⅲ效、Ⅳ效、Ⅴ效蒸发器，需选择专门为真空环境定制生产的双法兰液位变送器。
根据上述条件，各效蒸发罐液位测量所用双法兰液位变送器选型基本要求可参考表1。
表1 各效蒸发器液位测量所用双法兰液位变送器设计选型基本要求
以上设计安装方案，已在制盐、制糖、海绵钛产业中得到成功试用，充分明此方案可有效解决真空蒸发中因泡沫、结晶、真空、强腐蚀产生的液位测量难题。
其他建议
真空制盐，一般采用差压变送器配合孔板节流装置测量蒸汽、卤水和盐液流量。近年来，许多厂家应用电磁流量计测量盐液流量。但环境对碳钢法兰造成了严重的腐蚀，导致内衬PTFE发生变形损坏。因此，昌晖仪表建议选择的电磁流量计内衬PTFE材质，并要求法兰为316L材质。
雷达的发展是从上个世纪80年代开始的，上zui早做雷达的代表公司是:vega（脉冲雷达），saab（调频雷达）。Vega为低端雷达，技术角度讲，属于脉冲雷达。其发射原理比较简单，即:发送一个高频脉冲（6.3GHZ），微波遇到介质后被反射回来，微波传播速度为光速，与温度无关，计算出传播时间就计算出了距离；但是，由于其靠时间来计算数值的，就需要对事件到几十ps（1ps= 10^-12s,即:相当于将一秒分成10^1210的12次方份）。L=T传播时间 ＊ C光速/2 （公式一）推出:△L= △t ＊ C 光速 （公式二）其中------C=3＊10^5Km = 3＊10^8m=3＊10^11mm△t = △L/ C （公式三）我们假设测量精度为5mm，那么:△t=5/（3＊10^11）=16.666 ps目前记录时间zui高精度为50ps，芯片价格一般在200~500元一片。以时间50ps计算，其测量误差:△L= △t ＊ C=15mm。也就是说，脉冲雷达如果仅仅靠时间来处理数据，zui高精度为15mm。Vega雷达早在上个世纪80年代就已经出产，而高精度时间记录芯片是2002年才面世，所以，早期脉冲雷达大都采用时间拓展的方法来进行时间的准确测量纪录，外加多次测量求平均的办法。不管如何采用拓展时间以及平均发求值，其zui终精度要达到5~10mm，都具有一定的不合实际。早在2005年前，Vega雷达在国内占据80~85%的市场，主要源于其在国内大量宣传，以及国内无相应的雷达产品，自2004年后，脉冲雷达国内相继出现了3~5家生产厂家，vega雷达市场正被国内雷达厂家追步替代。而，saab为1999年进入国内市场，比vega晚6，7年时间，其进入国内市场后，一直定位在产品领域，仅仅面向石油、化工行业。目前，国内石油、化工在02年以前所采用的雷达，基本99%为saab雷达。Saab雷达价格昂贵，普通雷达价格在3~4万，精度稍高点雷达（调频雷达）价格在8~10万元。调频雷达原理为，发送连续信号（例如:信号频段从6~7GZH，8~9GZH等），对接收到的连续信号进行FFT变化，对信号进行锁相跟踪，来计算两个信号的时间差。调频连续波雷达FMCW，能够获取很高的精度，其精度主要取决于温飘（晶振的温度补偿），以及芯片的FFT计算速度，采用温补晶振，一般能够达到精度±1mm。目前调频连续波（FMCW）雷达，国内在2001年已经具备了这种技术。由于调频连续波雷达需要进行多方面的测试、试验，如:EMC认试验、温度试验等。直到2003年底，国内调频连续波雷达才正式推出。调频连续波雷达的基本处理方式雷同。由于国内调频雷达是2000年后才开始研发的，所以，在选择芯片的速度，器件的选型，都比SAAB更加具备优势，通过简单的对温度补偿能够做到±1mm内，利用波导管进行测量，精度能够做到±0.3mm。如果采用速度更快的cpu以及搭建一些设备，做到精度±0.1mm是容易实现的。目前，雷达物位计，随着国内厂家技术实力的不断壮大，正逐步取代国外雷达市场。脉冲雷达方面，国内除个别生产厂家无技术人员进行辅助处理工况外，够与vega雷达相媲美。调频连续波（FMCW）雷达，除在现场安装、雷达壳体设计方面，我们仍需要借鉴国外厂家的经验外；在各数，工况处理种性能参方面，我们的雷达产品都比SAAB强；我们在借鉴国外雷达优点的基础，采用军用技术生产了具有自主产权的调频雷达，我们将以zui的服务面向客户。
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雷达物位计有哪些常见类型?
调频连续波型雷达物位计
相对于脉冲回波时间差方式的测量原理，调频连续波型液位雷达采用FMCW(频率调制/连续波)体制，可以达到计量级的测量精度。
调频连续波型液位雷达工作原理
其工作原理安装在罐顶雷达液位计通过天线向液面发射经频率调制的电磁波信号，被测表面返回的信号被发射天线接收，并与天线发射的瞬时频率信号比较。由于信号的频率按照一定规律不断变化，因此比较信号频率与天线到液面的直线距离成比例。
综合测量信号与油罐形状参数，进行几何处理，就可以得到的液位高度和剩余量信息。
脉冲型雷达物位计原理
雷达物位计天线发射窄的微波脉冲(例如:6G频率雷达，即:发送一个△t时间(一般为1ns)的脉冲，叠加6GHZ的正弦波信号)，这个脉冲以光速在空间传播，碰到被测介质表面，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。
由于其发射脉冲与接收脉冲的时间间隔小，一般都采用时间拓展技术，并采用多次测量求平均的方法获得结果;这种测量技术决定了其精度为5~10mm。
脉冲雷达由于采用微波脉冲信号，是间断性发射脉冲方式，所以，脉冲雷达可以做到功率比较低，一般为0.5W内。可以很方便的实现本安设计。在设计中大都采用大电容充电方式，等电容充电到一定容量后，进行一次微波脉冲信号发射测量。这种设计方式决定了其在料位变化率比较快的情况下，会出现锁波现象。
雷达物位计作为一种基于微波技术的非接触式测量工具，不仅在传统行业中巩固了其，还在新兴领域展现出巨大潜力。随着技术的不断进步和，雷达物位计的应用前景将更加广阔。
1.雷达物位计的工作原理
雷达物位计主要利用电磁波（通常为微波）的反射原理进行工作。当雷达装置发射出的微波脉冲遇到被测介质表面时会发生反射，雷达接收到反射波后，通过计算发射波与接收波之间的时间差或相位差，进而确定物位高度。根据雷达波传播方式的不同，雷达物位计可分为导波雷达（GWR）和非导波雷达（如时域反射法TDR和调频连续波FMCW）两大类。
2.技术特点与优势
非接触测量:雷达物位计无需直接接触介质，避免了测量元件的腐蚀和磨损，适用于高温、高压、有毒、易燃易爆等恶劣环境。
高精度与稳定性:微波穿透性强，几乎不受温度、压力、蒸汽、粉尘等因素影响，能提供稳定的高精度测量。
广泛适用性:无论是固体颗粒、粉末、液体还是浆料，甚至是界面测量，雷达物位计均能胜任，覆盖了从储罐、反应釜到料仓等多种容器类型。
易于安装与维护:非接触式设计简化了安装过程，减少了维护需求，降低了总体运营成本。
3.应用实例
电力与能源:在燃煤发电厂的灰库、脱硫塔等环节，雷达物位计用于监测粉煤灰、石膏浆液的物位，确保合规及设备正常运行。
食品饮料:在糖浆、酒精、油脂等存储罐中，雷达物位计因其卫生没污染的特性，成为测量工具，食品。
水及污水处理:雷达物位计在污水处理池、净水厂蓄水池等设施中，准确测量水位，优化水资源管理。
4.未来发展趋势
随着物联网（IoT）、大数据和人工智能技术的结合，雷达物位计正朝着更智能、更集成化的方向发展。智能算法的应用使得雷达物位计能够自我学和适应复杂工况，提供好的诊断和预测性维护服务。此外，小型化、低功耗设计以及远程无线通信技术的发展，也为雷达物位计在远程监控和无人值守站点的应用开辟了新的可能。
介质测量的定制方案
高温熔体（＞400℃）测量采用水冷法兰（流量2m³/h）保护传感器，波导延伸管耐温达800℃。强粘附性介质使用自清洁天线，每秒1次的微振动挂料。某沥青储罐应用案例中，带刮刀装置的传感器使维护周期从1周延长至6个月。卫生型设计满足3A标准，Tri-Clamp快装接口表面粗糙度Ra＜0.8μm。研发的透波窗口材料（如蓝宝石）可测量ε＜1.4的介电常数介质。
CPR6700-XXCTTHAMAHJ雷达料位计性价比高的
雷达物位计采用微波脉冲的测量方法，并可在工业频率波段范围内正常，波束能量低，可安装于各种金属、非金属容器或管道内，对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量。雷达物位计适用于粉尘、温度、压力变化大，有惰性气体及蒸汽存在的场合。雷达物位计工作方式:向被测目标发射微波，由目标反射的回波返回发射器被接收，与发射波进行比较，确定目标存在并计算出发射器到目标的距离。
调频连续波80G 雷达物位计采用调频连续波（FMCW ）技术。天线发射高频的调频雷达信号，雷达信号的频率线性增加。发射的雷达信号经被测量介质反射后由同一天线接收。在同一时刻，发射信号频率与接收信号频率的频率差与被测距离成正比。采集到的频率差信号，经傅里叶变换（FFT ）得到反射回波的频谱，并以此计算得出待测目标的距离。
80G 雷达相对于26G 或6G 雷达具有频率更高，波长更短，波束角更小，能量更加集中的特点；加上FMCW 技术的应用，使其具有以下特点:1. 量程大，盲区小；2. 波束角小，天线尺寸小，便于安装。受罐体接管尺寸、障碍物影响小；3. 测量精度高，抗干扰能力强，性高。
天线发射微波时，都有一定的发射角。从天线下缘到被测介质表面之间，发射的微波波束所辐射的区域内，不得有障碍物，安装时应尽可能避开罐内设施，如:人梯、限位开关、加热设备、支架等。必要时，须进行“虚假回波学”。另外须注意微波波束不得与加料料流相交。 安装仪表时还要注意:高料位不得进入测量盲区；仪表距罐壁保持一定的距离；仪表的安装尽可能使天线的发射方向与被测介质表面垂直。 安装在防爆区域内的仪表遵守国家防爆危险区的安装规定。本质型防爆仪表的外壳材料采用塑料PBT/ 铝ADC12；本安+ 隔爆型防爆仪表的外壳材料采用铝ADC12。防爆型仪表可安装在有防爆要求的场合，仪表接大地。
应 用: 液体适合强腐蚀性液体蒸汽 、泡沫技术:测 量 范 围: 0~30m测 量 精 度: ±2mm 过 程 温 度: (-40~130)℃，(-40~200)℃过 程 压 力: -0.1~2.5MPa频 率: 80 GHz信 号 输 出: (4~20)mA/HART；RS485/MODBUS协议电 源: 24VDC/220VAC现场显示/按键: 可选外 壳: 塑料PBT、铝ADC12、316L天 线 类 型: DS/DQ/ES/EQ..天 线 材 料: 316L+PTFE/316L+PFA..安 装 形 式: 法兰 .防 护 等 级: P67/IP66........※ 注 1. 外壳选B，防护等级为IP66; 外壳选A/D，防护等级为IP67. 2. 天线尺寸分别为DN50 和DN80，测量精度均为±2mm；
应 用: 液体适合强腐蚀性/ 耐压液体技术:测 量 范 围: 0~10m/0~30m/0~120m测 量 精 度: ±2mm/±5mm 过 程 温 度: (-40~130)℃/(-40~200)℃过 程 压 力: (-0.1~0.1)MPa( 适合耐腐蚀液体) (-0.1~2.5)MPa( 适合耐压液体)频 率: 80 GHz信 号 输 出: (4~20)mA/HART；RS485/MODBUS协议电 源: 24VDC/220VAC现场显示/按键: 可选外 壳: 塑料PBT、铝ADC12、316L天 线 类 型: DS/DQ/ES/EQ..天 线 材 料: 316L+PTFE/316L+PFA..安 装 形 式: 螺纹.防 护 等 级: IP67/IP66........※ 注 1. 外壳选B，防护等级为IP66; 外壳选A/D，防护等级为IP67. 2. 天线直径为 21mm 时 , 仪表量程 0~ 10m, 测量精度 ±2mm; 天线直径为 43mm, 仪表量程0~30m, 测量精度 ±2mm; 天线直径为 76/65mm 时 , 仪表量程 0~120m, 测量精度 ±5mm
应 用: 液体, 卫生级技术:测 量 范 围: 0~30m测 量 精 度: ±2mm 过 程 温 度: (-40~130)℃过 程 压 力: (-0.1~1)MPa 频 率: 80 GHz信 号 输 出: (4~20)mA/HART；RS485/MODBUS协议电 源: 24VDC/220VAC现场显示/按键: 可选外 壳: B/A/D/K天 线 类 型: KW/KQ天 线 材 料: 316L+PTFE/316L+PFA..安 装 形 式: 2"卡盘/ 3½" 卡盘防 护 等 级: IP67/IP66※ 注 1. 外壳选B，防护等级为IP66; 外壳选A/D/K，防护等级为IP67. 2. 天线尺寸分别为DN50 和DN80，测量精度均为±2mm；
应 用: 固体/ 液 存储容器/ 过程容器或强粉尘场合技术:测 量 范 围: 120m测 量 精 度: ±5mm 过 程 温 度: (-40~200)℃过 程 压 力: (-0.1~0.3)MPa 频 率: 80 GHz信 号 输 出: (4~20)mA/HART；RS485/MODBUS协议电 源: 24VDC/220VAC现场显示/按键: 可选外 壳: B/A/D天 线 类 型: MW/NW/RW/HG/JG天 线 材 料: 铝衬塑料+PP/316L+PTFE/316L+PTFE 带散热..安 装 形 式: 法兰/ 螺纹/ 吊架防 护 等 级: IP67/IP66※ 注 1. 外壳选B，防护等级为IP66; 外壳选A/D，防护等级为IP67. 2. 天线直径为76/65mm 时，仪表量程0~120m，测量精度±5mm.