706-511A-A10/7C1-4100-A00-31-010导波雷达液位计厂商

　　液体测量的特殊应用方案

　　对于易结晶介质，传感器配备PTFE天线罩防止结垢，同时保持ε＞1.4的介电常数要求。强腐蚀性液体测量采用全密封316L不锈钢外壳，耐98%浓硫酸腐蚀。某化工厂测量发烟硫酸（ε=110）时，通过调整回波阈值使信号强度稳定在-70dBm以上。最新导波雷达技术利用探杆引导电磁波，可穿透泡沫层检测真实液位。小型储罐（＜3m）推荐使用5°窄波束天线，避免罐壁反射干扰。

　　在化工、油气、食品等行业中，经常需要测量不同液体之间的分界面的高度，从而控制反应过程、原料储量等。

　　MTS传感器部门生产的Level Plus系列液位计采用MTS的Temposonics®磁致伸缩传感技术，配合特定密度的磁性浮子，可对不同液体的分界面高度进行测量。

　　市场上测量液体分界面高度的产品群雄逐，招式各有千秋，小编将一一细数，看看哪种测量原理能拔得头筹！

　　一、射频导纳液位计（电容液位计）

　　射频导纳液位计的传感器是一根带特氟龙涂层的金属杆或者柔性金属缆，需要插入被测液体内。这样金属杆（缆）和容纳被测液体的金属罐壁之间就会产生电容，这个电容在射频电路（频率达到300Ghz）下被放大到测量的电导纳值。如果被测液体分层后形成上层油下称水的分层，那么会形成C1、C2和C3三个电容值。因为水的导电性能使C3的值大，则射频导纳液位计测量得到的电容值主要取决于C3的值。因此水位的高度就和C3的值几乎成正比例关系。

　　根据以上测量原理，射频导纳测量分界面的必要条件和限性:

　　1、 上层液体不能导电，如苯、碳氢化合物等;下层被测液体是导电液体，如普通水或者水溶液。

　　2、 对分界面测量精度要求不高。因为上层油的高度和被测罐体的形状等都会被测精度影响。

　　二、导波雷达液位计

　　导波雷达液位计的传感器也是金属杆或者金属缆插入被测液体内。液位计的电子头发射雷达波脉冲。雷达波脉冲会沿着金属杆或者金属缆朝向被测液体传播，当到达介电常数发生变化位置时会产生反射。液位计电子头计算发射雷达波脉冲和接受雷达波脉冲的时间差来确定被测液位的高度。如下图，如果被测液体上层油下称水，则雷达波分别在从空气进入油的时候、以及从油进入水的时候分别发生反射。

　　从导波雷达的测量原理可知其测量分界面的必要条件:

　　1、 雷达波发生反射的必要条件是介电常数发生变化。如果介电常数的变化很小的话，雷达波的反射信号也很小以至于无法测量。因此导波雷达测量分界面要求下层液体的介电常数比上层液体的要大得多。而介电常数的大小一般无法通过常规手段测量，而且介电常数大小很容易受到环境温度、电磁频率、罐内的化学反应等影响。这就决定了无法轻易判断导波雷达能否和应用环境相适应。

　　2、 为了保持雷达波穿过上层液体后还有的能量在分界面上还能产生反射，一般要求传感器是一个同轴结构。上图是导波雷达测量分界面的安装要求，左边是导波雷达的测量杆和测量筒是一个同轴结构，右图中导波雷达的测量杆安装在一个布满倒液孔的测量管内。同轴结构内外的分界面变化有时无法真正同步会导致测量误差。而且粘性较大的液体会粘连在同轴结构内干扰测量。

　　3、 如果要测量被测液体分界面知道上层液体的具体介电常数。因为雷达波穿过空气的速度是光速，而穿过上层液体的速度小于光速且和其介电常数成反比。因为介电常数不容易测量且善变，因此导波雷达很难测量分界面高度。

　　三、浮筒液位计

　　浮筒液位计测量分界面一般安装在罐体的侧面，把被测液体通过两个法兰口从被测罐引入测量筒内，同时测量通内还有一个浮子通过一些机械结构和电子头相连。通过测量浮子受到浮力的变化来感应测量筒内液体的平均密度，从而评估出被测分界面的高度（假定测量筒内只有两种液体）。浮筒液位计不要求被测液体的导电性和介电常数。

　　根据浮筒液位计的原理和内部结构，其测量分界面的必要条件和限:

　　1、 只能安装在被测罐体侧面，且测量筒内没有空气。

　　2、 为了测量的精度定期进行校准，因为浮子到电子头之间的力传输结构会随着时间而偏移设定。

　　3、 因为测量筒的狭小结构，被测液体中的固体或者粘性物质会使浮子卡在测量筒内，无法真正反映分界面高度。

　　四、双法兰液位计

　　双法兰液位计通过测量两个固定位置的压力差来反映两个位置之间的液体的平均密度从而间接测量分界面高度。双法兰液位计也是安装在罐体的侧面，但是不需要测量筒，因此解决了上面浮筒液位计内浮子容易卡死的问题。

　　双法兰液位计通过充油的毛细管把罐内的两个压力值传输到电子头部分。因此双法兰液位计的界面测量受到以下因素的影响:

　　1、 环境温度变化对毛细管内油压有明显影响，因此长的测量范围要长的毛细管，从而导致温度变化对测量精度也影响很大。

　　2、 两个法兰之间充满液体。

　　3、 毛细管充油需要的生产技术，因此测量范围对仪表价格影响很大。

　　4、 安装过程要毛细管不要受到外部机械冲击，毛细管受损或者油路堵塞。

　　五、终篇 - 磁致伸缩液位计

　　磁致伸缩液位计通过测量浮在分界面上的磁性浮子的位置来测量分界面的高度。MTS生产的Level Plus系列液位计可以实现测量误差控制在1毫米以内，大的测量范围可以达到22米。磁致伸缩液位计的测量不依赖于液体的导电性、介电常数等物理参数，只是基于不同液体的密度差。密度差和相互不溶解是形成分界面的必要条件。

　　Level Plus系列

　　磁致伸缩液位计只要选择好特定浮子的密度，安装后不需要定期的维护和标定就能液位计的长期性和性。

　　磁致伸缩液位计的应用限性在于不能用于操作粘度很高的液体（建议粘度小于400厘泊）。高粘度液体容易把浮子粘在一个位置不变，导致磁致伸缩液位计测量到的浮子位置不能准确反映分界面高度。

　　Level Plus磁致伸缩液位计应用实例

　　1、 二硝基甲苯（DNT）和水的分界面

　　因为二硝基甲苯（DNT）相对于水的比重是1.52，因此在罐内是下层液体，因此无法使用射频导纳、导波雷达。而且因为现场的测量范围超过4米，因此无法使用浮筒液位计和双法兰液位计。通过使用Level Plus系列磁致伸缩液位计可以同时测量反应罐内的液位和分界面高度，从而对化学反应过程控制。

　　2、 液体白磷和水的分界面

　　白磷是生产磷酸类物质的基本原料。但是因为白磷在空气容易自然，而且有毒，因此一般都储存在具有水封的储存槽内。Level Plus液位计可以对水封下的白磷存量进行实时监控，同时水封的厚度白磷和空气接触。

　　3、 大型成品油罐

　　炼化工厂、燃料输送系统等都有一些成品油储罐、转运罐等，这些罐子高度都有15～20米高。因为有些成品燃油会吸收空气中的水分，导致很多罐底都有积水。MTS传感器生产的Level Plus液位计可以同时测量罐内成品油液位和油水分界面的高度，同时还可以根据液位计内部的罐容表来计算罐内容量，并且输出罐内的成品油温度。Level Plus液位计只通过罐上的一个测量孔，就可以同时输出液位、分界面高度、罐内容量和温度的测量结果，满足石油组织对成品燃油的交接计量要求。

　　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。

　　由于采用了的微处理器和的EchoDiscovery回波处理技

　　术，导波雷达物位计可以应用于各种复杂工况。

　　多种过程连接方式及探测组件的型式，使得导波雷达物位计适于各

　　种复杂工况及应用场合。如:高温、高压及小介电常数介质等。

　　采用脉冲工作方式，导波雷达物位计发射功率低，可安装于各种

　　金属、非金属容器内，对人体及环境均无伤害。

　　同轴杆式的探头测量不受罐体及安装短管的内部结构的影响。

　　探杆和探缆可更换。

　　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。