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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。
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传感器可将此信号作为连续测量值（模拟值）
发送同时也可从中导出可自由定位的开关点（开关量输出）。
LFP Inox 采用符合 标准的材料以及 EHEDG 认的设计，
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甚可以用于卫生要求zui高的应用。
它具备模块化连接系统，能够简单、灵活地安装于各类应用。凭
借出众的耐高温和耐高压，
LFP 在CIP 和 SIP 的环境下使用时也不受限制。
通过 IO-Link 与上位机进行通信，真正实现智能化。
用于卫生应用的液位传感器
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探针可手动缩短，长度可达 4000 mm，Ra ≤ 0.8 μm
过程温度可高达 180 °C，过程压力可高达 16 bar
无论是连续液位测量、点式限位报警还是它们的组合，
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根据安装环境、介质属性和环境条件的不同，
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这些不同的传感器有个共同的目标，那就是。
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种通过检测电磁波传播的时间差进行液位测量的方法，
通过发出及反射脉冲间的时间差生成液位信号。
互换的卫生过程连接
三合:集成显示、模拟量输出和开关量输出相结合
是化工行业中的一种液位测量仪器，广泛应用于各行各业，受到了用户们的与喜爱。导波雷达又分为，杆式导波雷达液位计、缆式导波雷达液位计和同轴管式导波雷达液位计。今天小编想给大家介绍杆式导波雷达液位计，看看它有哪些特点。
首先杆式导波雷达利用传输时间来测量介质的液位，它只需测量电磁波的传播时间，不需要对信号进行处理和识别，因此介质的变化对导波雷达液位计的测量性能没有太大影响。另外介质密度的变化对导波雷达液位计的测量没有影响，介质密度的变化主要影响淹没在介质中物体的浮力，但不影响电磁波在导波体中的传播。
其次雾和对杆式导波雷达液位计的测量也是没有影响的，因为电磁波不会在空间中传播，因此雾不会影响信号衰减，泡沫也不会散射信号并损失能量。而且导波管上介质的沉积和污垢对液位测量影响也是不大的。
一点也是很多用户选择杆式导波雷达液位计测量液位的重要原因，杆式导波雷达能耗低，液位计的导波体作为信号到液位的传输位置提供了一个有效的通道，信号的衰减保持在很小的程度，因此可以用来测量介电常数低的介质的液位。此外，由于导波雷达的能耗较低，采用回路电源代替单独的交流电源，节省了大量的安装成本。
德国E+H导波雷达液位计FMP52
FMP51 带涂层的探杆，适用于腐蚀性的介质的液位测量
应用
• FMP51 - Premium 仪表，用于液位测量和界面测量
• FMP52 - Premium 仪表，带涂层探头，用于腐蚀性液体的测量。接液部件采用
认和 USP Cl. VI 认材料
• FMP54 - Premium 仪表，主要用于高温和高压应用场合中的液体测量
• 较大量程:45 m (148 ft)
•
过程连接:3/4"螺纹，或法兰
•
温度范围:–196…+450 °C (–321…+842 °F)
•
压力范围:–1…400 bar (–14.5~5 800 psi)
•
提供下列系统集成接口:
– 4...20 mA HART (模拟量信号)
– PROFIBUS PA (Profile 3.02)
–
基金会现场总线(FF)
•
可以进行限位监控(低限(MIN)、高限(MAX)、量程范围内)，具有 SIL 2 (单台仪
表测量)或 SIL 3 (同构冗余测量)等级，
通过 TÜV 认，符合 IEC 61508 标
准
优势
•
测量:
–
存在波动液面和泡沫液面时
–
介质类型改变时
–
存在粉尘的应用场合中(仅适用于 FMP54)
•
适用范围广
•
内置数据储存单元
•
工厂预标定探头长度
•
全中文显示的直观菜单引导式操作方法
•
便捷地集成至控制系统或资产管理系统中
• 准确的仪表诊断和过程诊断，有助于发现问题
•
防爆认:ATEX、IEC Ex、CSA、FM、NEPSI
压力设备指令(PED) (仅适用于 FMP54)
3A 认(仅适用于 FMP52)
物位，流量，压力，水分析测量测控:德国E+H，德国VEGA，北京瑞普三元压力传感器， 美国EMA流量传感器， 公众平台:西安宏略贸易有限公司。 水分析:CPM223，CPM253，CM442，CPS11，CPS11D等；物位计:FMR10, FMU30. FMU40等；压力变送器:P31 PMP11，PMC11,PMC131 等现货。
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通信协议与系统集成能力
标准4-20mA+HART输出兼容传统DCS系统，PROFIBUS PA/FF总线支持多设备级联。无线HART版本采用2.4GHz频段，单节点功耗＜20mW，电池寿命达5年。某智能工厂项目通过OPC UA接口实现传感器数据直连MES系统，采样周期缩短至100ms。IO-Link 1.1版本支持参数远程配置，调试时间从4小时压缩至15分钟。云端接入的物位数据可用于预测库存周转，精度达0.1m³。
导波雷达水位计是一种液体高度的测量仪器，它的设计基于时间行程的原理。测量开始后，雷达波会以光速运行，运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。
仪表测量参考点到物料表面的距离，探头发出高频脉冲并沿缆绳传播。脉冲遇到水位的表面，就会按原路反射回来，并且被仪表内的接收器接收，就此将时间信号转化为物位信号。
导波雷达水位计测量结果，不受下列因素影响:
水体密度，固体物料的疏松程度、温度、加料时的粉尘，水体表面的泡沫等对测量都没有影响。采用同轴杆式探头的测量，而且不受罐体及安装短管内部结构的影响，探杆和探缆都可更换。
导波雷达水位计的优势:
雷达水位计可以对水体、颗粒及浆料等进行连续性的测量，测量结果不受介质种类、周围环境温度变化、惰性气体及蒸汽、粉尘、泡沫等的影响。
测量精度在5mm，量程60米，就算在250°高温、40公斤高压的环境下，也能事项精密测量，雷达水位计还可适用于爆炸危险区域。
耐腐蚀性强:导波雷达水位计应用于水液储罐、酸碱储罐、浆料储罐、固体颗粒、小型储油罐。各类导电、非导电介质、腐蚀性介质。
导波雷达液位计在检测液位时采用的是时域反射（TDR）原理，信号的传输介质是同轴电缆和导波杆，可以认为导波雷达液位计进行液位检测是基于传输线的特性的。以下简要介绍 TDR 的原理。
同轴电缆和导波杆是比较常用的信号传输线，我们可以把它等效为理想的双导线传输线，由相同的很多小的部分组成，每个小的部分又由很多的电阻 R、电容C、电感 L 和电导 G 等元件一起组成，并且同轴电缆和同轴导波杆的特性阻抗在每处都是一样的。
同轴电缆等效传输线原理图如图 2-1 所示。
图 2-1 同轴电缆等效传输线原理图
由上图知道，如果同轴电缆与其他介质相接触，由于介电常数（这里用rε 来表示）是不同的，会使相接触部分的等效阻抗发生一定变化。当同轴电缆的某一端发射出脉冲信号时，脉冲信号会沿电缆进行传输。如果传输中没有与其他介质的接触时，那么对应的负载阻抗和电缆的特征阻抗相等，那么脉冲会被吸收因此没有回波信号产生；如果发生与其他介质的接触时，那么对应的负载阻抗就会发生变化，使之和特征阻抗不相等，就会产生回波信号。
这里定义一个反射系数为 ρ ，它是反射信号与发射信号的幅度的比值，我们用它来用来表示负载阻抗和特性阻抗的关系。
其中:tZ 表示任意一点的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各种情况时阻抗和反射系数的不同如下所示:1．当同轴电缆传输正常时，那么t cZ =Z
， ρ =0 ，发射脉冲会被吸收，没有回其中:tZ 表示任意一点的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各种情况时阻抗和反射系数的不同如下所示:
1．当同轴电缆传输正常时，那么t cZ =Z ， ρ =0 ，发射脉冲会被吸收，没有回
图 2-2 断路回波信号示意图
3．当同轴电缆传输短路（即为与其他介质接触时）时，那么tZ =0 ， ρ = −1，同样产生全反射，但是短路回波信号和发射信号具有相反的性，短路回波示意图如图 2-3 所示。
图 2-3 短路回波信号示意图
当脉冲信号在导波杆上传输时，如果碰上其他介质就会使该点的阻抗变化，从而反射系数也会发生变化，会产生回波信号。我们可以进一步计算发射脉冲和回波脉冲的时间差就能计算出发射电路到该介质接触点的距离。
导波雷达测量系统原理:
导波雷达液位计就是时域反射原理来进行测量的，测量过程我们分为信号传播和整个测量系统来作介绍。
导波雷达信号传播示意图如图2-4所示。
在机械机构上，仪表的表头内部的收发电路会通过同轴射频接插件和同轴电缆相连。同轴电缆的另一端将会在法兰的位置与同轴导波杆连接。导波杆则是直接插入到罐体的介质内，导波杆的末端与罐底底部则是有一段距离的。
根据左图可以看到，电路板输出的脉冲信号会通过同轴电缆，再在同轴导波杆上进行传播。由2.1节的介绍，在同轴电缆和导波杆的连接处会首先发生断路，进而一部分信号会产生一个顶部回波信号，但是仍有一部分信号还会继续沿导波杆传播。当信号与被测液体表面接触时，其阻抗特性会发生变化，其一部分也会被反射，会再产生一个真正的液位回波信号。也会有另外一部分信号仍然会继续向下传播，终会损耗在不断发射中。液位计可以判断出液位回波和顶部回波之间的时间差，根据这个时间差，我们用单片机进行计算就可以得到液位的高度。
根据右图所示，在罐体为空的时候，没有液位就不会发生液位回波信号，但是仍然会有顶部回波信号，而且在导波杆的底部会断路而产生一个的底部回波信号‘。
假如罐体内有两种不同的介质，由于密度不同这两种介质会分别存在于液体的上部和下部。如果这两种介质的介电常数大不相同，那么就可以通过回波的不同来判断两种介质的分界面，进而也可以得出这两种介质的不同高度。由于脉冲信号是通过导波杆传播，导波杆上的空气、气态的凝结不会影响性能，因此可以长时间测量低介电常数的产品。一般情况下被测液体的介电常数越大回波信号也就越强，也就更容易检测出液位，比如水比丁烷更容易测量。
假设电磁信号在介质中传输无损耗，则信号在其中的传播速度可以表示为:
其中:c为电磁波在真空中的传播速度(3x10八立方米m/s）。
Y为介质的相对介电常数，
从为同轴电缆的相对磁导率(大多数液体其近似等于l}o
我们可以得到:
若电磁波在同轴导波杆上的传播距离为L，那么回波信号的传播时间为:根据这个实际传播速度结合时间就可以计算出液位[[19]。因此，的深度:
L可以表示为液位因罐体高度为H，后得到的液位高度为:
h=H一L导波雷达测量系统示意图如图2-5所示。
图中为整个导波雷达测量系统，导波雷达液位计发送的是窄脉冲信号，对刚性杆大测量范围为6.1 m，柔性杆为大范围则为30m。在实际测量中，在量程的上部和下部都会存在一段死区，分别为上部死区和下部死区，其长度分别为Lz和L,，这两个死区的特性是非线性的，所以造成测量误差会偏大。我们把上部死区的低点定义为上参考点，用它来代表液位的满点(高可测点)和20mA输出电流。下部死区的高点则定义为下参考点，用它来代表液位的零点(低可测。
点)和4mA输出电流。在导波杆末端到罐底的距离为L。
由此，在实际应用时，液位的计算需要考虑到上部死区和下部死区的因素。在液位显示时需要加上杆末端距离罐底的距离L。和下部死区的高度L1 [21] o
一般液位测量时只需要测量一定范围内的高度，即有效量程为两个死区之间的高度，也叫线性区。
在罐体内实际显示的液位高度(即以下参考点作为零点)为:
hD = h一L。一L, 这里L+L、是液位的整体迁移量。
本章主要是对导波雷达液位计进行了理论分析，首先介绍了导波雷达液位计测量所需要的时域反射原理，接着详细讲述了导波雷达测量系统的原理，后则概括了本课题所设计的导波雷达液位计所要实现的功能和特点。
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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。
液位计系列>>ZWRD702导波雷达液（物）位计:
一、仪表概述:
导波雷达液位计主要技术达到或优于国内外同类产品,且安装调试简便，可以单台使用，也可组网使用具有低维护，高性能、高精度、高性，使用寿命长等优点。微波信号的传输不受大气的影响，所以它可以满足工艺过程中挥发性气体、高温、高压、蒸汽、真空及高粉尘等恶劣环境的要求。该产品适用于高温、高压、真空、蒸汽、高粉尘及挥发性气体等恶劣环境。可对不同料位进行连续测量。
二、测量原理:
导波雷达液位计是基于时间行程原理的测量仪表，发射能量很低的短的微波脉冲通过天线系统发射并接收。雷达波以光速运行。运行时间可以通过电子部件转换成物位信号。探头发出高频脉冲并沿缆式或杆式探头传导，当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表 内的接收器接收，并将距离信号转化为物位信号。一种的时间延伸方法可以确保短时间内稳定和测量。即使工况情况比较复杂，存在虚假回波，用微处理技术和调试软件也可以准确的分析出物位的回波。
1、输入:
反射的脉冲信号沿缆式或杆式探头传导至仪表电子线路部分，微处理器对此信号进行处理，识别 出微波脉冲在物料表面所产生的回波。正确的回波信号识别由智能软件完成，距离物料表面的距离D与 脉冲的时间行程T成正比:D=C×T/2 其中C为光速因空罐的距离E已知，则物位L为:L=E-D；
2、输出:
通过输入空罐高度E（=零点），满罐高度F（=满量程）及一些应用参数来设定，应用参数将自动 使仪表适应测量环境。对应于4…20mA输出；
3、测量范围:
F-测量范围；E-空罐距离；B-顶部盲区；H-探头到罐壁的zui小距离 顶部盲区是指物料zui高料面与测量参考点之间的zui小距离。 底部盲区是指缆绳zui底部附近无法测量的一段距离。 顶部盲区和底部盲区之间是有效测量距离；
4、注意:只有物料处于顶部盲区和底部盲区之间时，才能罐内物 位的测量。
三、数据处理:
雷达通过输入空罐高度L（=零点），满灌高度H（=满量程）及一些应用参数来设定，应用参数将自动使仪表适应测量环境。是对应于 4-20mA输出。
四、适用场合:
适用于高温（350℃）、高压、真空、蒸汽、高粉尘及挥发性气体等恶劣环境。可对不同料位进行连续测量。该仪器主要技术达到或优于国内外同类产品,且安装调试简便，可以单台使用，也可组网使用，可广泛应用于冶金、建材、能源、石化、水利、粮食等行业。
五、性能特点:
1、通用性强:可测量液位及料位，可满足不同温度、压力、介质的测量要求，zui高测量温度可达800℃，zui大压力可达5MPa，并可应用于腐蚀、冲击等恶劣场合。
2、防挂料:*的电路设计和传感器结构，使其测量可以不受传感器挂料影响，无需定期清洁，避免误测量。
3、免维护:测量过程无可动部件，不存在机械部件损坏问题，无须维护。
4、抗干扰:接触式测量，抗干扰能力强，可克服蒸汽、泡沫及搅拌对测量的影响。
5、准确:测量量多样化，使测量更加准确，测量不受环境变化影响，稳定性高，使用寿命长。
六、技术:
1、工作频率:100MHz-1.8GHz；
2、测量范围:缆式:0-35m杆式、同轴式:0-6m；
3、重复性:±3mm ；
4、分辨率:1mm；
5、采样:回波采样54次/s；
6、 响应速度:>0.2S（根据具体使用情况而定）；
7、精度:<0.1%；
8、输出电流信号:4-20mA ；
9、通讯接口:HART通讯协议；
10、过程连接:G1-1/2，G3/4法兰:DN50，DN80，DN100，DN150；
11、过程压力:-1～60bar ；
12、电源:24VDC（±10%）纹波电压:1Vpp；
13、耗电量:max22.5mA；
14、环境条件:温度:-40℃～ 250℃；
15、外壳防护等级:IP68；
16、防爆等级:EXiaIICT6 ；
17、两线制接线:仪表供电和信号输出共用一根两芯电缆；
18、电缆入口:M20×1.5（电缆直径5～9mm）。
七、安装指导说明:
下述安装指导适用于杆式和缆式探头，管式探头测量与安装方式无关。
安装位置:
1、距离罐壁的距离建议为罐直径的1/6－1/4（至少300mm，混凝土罐至少400mm）；
2、不要安装在金属罐中间；
3、不要装在下料口处；
4、选择探头长度时，注意探头底部距罐底约大于30mm；
5、注意介质温度。
罐内障碍物:
1、安装时注意探头距离障碍至少200mm。
干扰的祛除:
1、干扰回波抑制:软件可实现对干扰回波的抑制，从而达到理想测量效果；
2、旁通管及导波管（仅适用于液体）对于粘度不打于500cst，可采用旁通管，导波管或管式来避免干扰。
液体标准安装:
对于粘度≤500cst且不易产生粘附的介质，管式探头是理想方案，其特点如下:
性；
1、可用于介电常数大于等于1.4的介质，测量与介质的导电性无关；
2、罐内障碍物及短管尺寸不影响测量；
3、比杆式探头能承受的横向压力高；
4、对于高粘度的介质，建议使用杆式探头。
卧罐及立罐上的安装:
1、管式探头及杆式探头zui长可到6米对于测量距离超过6米的罐，可选用8mm缆式探头；
2、安装及固定方式同固体粉仓测量；
3、对距罐壁的距离无限制，只要避免探头接触罐壁；
4、如果罐内障碍物比较多或过于靠近探棒时，请选用管式探头。
腐蚀性介质测量:
1、如果测量腐蚀性介质，可选用杆式探头套一个塑料套管进行测量。
八、测量条件注意事项:
1、测量范围从波束触及罐低的那一点开始计算，但在情况下，若罐低为凹型或锥形，当物位低于此点时无法进行测量。
2、若介质为低介电常数当其处于低液位时，罐低可见，此时为测量精度，建议将零点定在低高度为C 的位置。
3、理论上测量达到天线*的位置是可能的，但是考虑到腐蚀及粘附的影响，测量范围的终值应距离天线的*至少100mm。
4、对于过溢保护，可定义一段距离附加在盲区上。
5、zui小测量范围与天线有关。
6、随浓度不同，泡沫既可以吸收微波，又可以将其反射，但在一定的条件下是可以进行测量的。
九、日常检查维护:
1、日常检查维护主要是查看电源电压和输出电流是否正常。通电后，大约需要30~60min仪表才能正常工作。如果投运后仪表没有输出，则应检查电源是否真正接上，并检查保险丝是否烧坏。
2、使用时是和设备连成一体的，整个系统雷达液位计是密封的，所以平时还应检查各部件连接处的密封情况是否良好。
3、雷达头内部的使用温度为65℃。一般使用情况下不会超过这个温度，但若被测介质的温度很高，则雷达头内部的温度有可能超过65℃。这时，可以用少量的风，经此φ6X1紫铜管自雨水帽吹入雷达头，以将内部的温度降下来，不要用水或其他液体进行机械冷却。
4、易挥发的有机物会在雷达液位计的喇叭口或天线上结晶，要按期检查和清理。
注意事项:
1、测量范围从波束触及罐低的那一点开始计算，但在情况下，若罐低为凹型或锥形，当物位低于此点时无法进行测量。
2、若介质为低介电常数当其处于低液位时，罐低可见，此时为测量精度，建议将零点定在低高度为C的位置。
3、理论上测量达到天线*的位置是可能的，但是考虑到腐蚀及粘附的影响，测量范围的终值应距离天线的*至少100mm。
4、对于过溢保护，可定义一段距离附加在盲区上。
十安装要求:
1、对于直径较小的圆形罐，安装点距离罐壁的zui小距离不能小于35cm，通常液位计与罐壁的距离设置为罐直径的1/6-1/4为佳。
2、雷达液位计不能安装于液体流入口的正上方。
3、雷达液位计不能安装于圆形罐的正中间，避免干扰信号。
4、安装时，法兰上的标记应指向罐壁，且法兰对水平面的误差应小于正负0.5度。
5、安装喇叭口天线时，天线下端要低于罐顶20mm以下，喇叭口天线与液面垂直，避免出现回波。喇叭状的天线要延伸到连接管下面。
6、波导管的安装位置应远离出料口，其中轴线应与液面垂直。
十一、数据对照表:
十二、选型一览表:
十三、选型需要知道的数据:
1、测量范围是几米，要求盲区是多少。
2、被测量的介质类型(液体还是固体，具体的名称如:清水、污水、泥浆、汽油、柴油、甲苯、二氧化硫、矿石、煤炭、水泥、黄豆、小麦、玉米、面粉等)。如果是液体:液面是否有蒸汽、雾气、泡沫、波浪、搅拌、漂浮物；如果是固体:是否有粉尘，介质是颗粒状还是粉末状。
3、介质的zui低zui高温度，zui小zui大压力。
4、介质的腐蚀性，如果是放在罐子内的，需要知道罐子的材质，有没有防腐的衬里。
5、是否需要防腐、防爆，要分体式还是一体式。
6、工作环境:敞口的池子、有盖板的池子、卧罐、立罐、球罐，罐子是否通大气压等。
7、工作电源:是直流24VDC还是交流220VAC。
8、输出信号:4～20mA电流，还是485通信输出，需要继电器输出吗？