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雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用
摘要：雷達(dá)液位計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)應(yīng)用廣泛。本文介紹了一種調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)。簡(jiǎn)單介紹了雷達(dá)液位計(jì)的工作原理，分析了市場(chǎng)上各類物位儀表的優(yōu)劣性，并做了相應(yīng)的性能分析和比較。
關(guān)鍵詞：雷達(dá)液位計(jì)，調(diào)頻連續(xù)波，微波
1． 引言
自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)入市場(chǎng)，由于測(cè)量精度高、超群的耐高溫高壓的能力以及采用了非接觸的測(cè)量方式使安裝使用簡(jiǎn)易方便，其較高的可靠性成為近十年來(lái)罐區(qū)液位過(guò)程監(jiān)測(cè)的首選儀表。
液位儀表是工業(yè)測(cè)量中不可缺少的重要儀表。液位儀表的種類繁多，根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)條件的不同，各類液位計(jì)各具優(yōu)勢(shì)，形成一個(gè)多元化的局面。罐區(qū)儲(chǔ)罐由于其容 積較大，要求液位計(jì)的精度較高，過(guò)去大多用浮子鋼帶式液位計(jì)，伺服式和靜壓式也有一定應(yīng)用量。浮子鋼帶式液位計(jì)安裝復(fù)雜，可靠性較低，靜壓式液位計(jì)受介質(zhì) 密度和溫度影響很大，為消除這些影響，一套完善的靜壓測(cè)量系統(tǒng)其價(jià)格也很高；伺服式液位計(jì)精度較高，但由于其有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不可避免帶來(lái)磨損問(wèn)題，同時(shí) 價(jià)格也偏高。近年來(lái)出現(xiàn)的光纖液位計(jì)、磁致伸縮液位、超聲波液位計(jì)以及核輻射液位計(jì)各具其優(yōu)缺點(diǎn)，光纖液位計(jì)可以做到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電檢測(cè)，安全性好，這是其突出 的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是仍然有很多機(jī)械傳動(dòng)部件，故障率就會(huì)增加，安裝也復(fù)雜些。磁致伸縮液位精度較高，但由于其接觸的測(cè)量方式和較高的安裝、維護(hù)要求導(dǎo)致市場(chǎng)普 及不廣。超聲波物位計(jì)雖精度較雷達(dá)液位計(jì)略低，但其安裝簡(jiǎn)單價(jià)格適中，在防爆領(lǐng)域，目前超聲波液位儀的量程是一個(gè)問(wèn)題，一般小于8米，遇到高溫罐，問(wèn)題也 會(huì)更大。核輻射液位計(jì)因有放射源，應(yīng)用需特別批準(zhǔn)，應(yīng)用范圍受到限制。而雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)入市場(chǎng)后，由于自身的優(yōu)勢(shì)迅速成為液位測(cè)量中的首選儀表。
本文著重介紹的是珠�？祵毴R儀表有限公司自行研發(fā)設(shè)計(jì)的調(diào)頻連續(xù)波國(guó)產(chǎn)雷達(dá)液位計(jì)。
2． 測(cè)量原理
本雷達(dá)液位計(jì)主要由雷達(dá)探測(cè)器（一次表）和雷達(dá)顯示儀（二次表）組成。雷達(dá)探測(cè)器主要由主體、連接法蘭和天線三部分組成。天線分為喇叭型和直接與波導(dǎo)管連 接兩種形式。雷達(dá)顯示儀提供連接上位計(jì)算機(jī)的RS-485接口，可以傳遞液位等參數(shù)及報(bào)警信號(hào)，亦可通過(guò)上位計(jì)算機(jī)對(duì)智能雷達(dá)顯示儀進(jìn)行控制。
雷達(dá)探測(cè)器采用的是線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制的連續(xù)波,當(dāng)回波被天線接收到時(shí),天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的 頻率差可以計(jì)算出物料面的距離。FMCW方式測(cè)量線路較復(fù)雜,從而測(cè)量精確度較高,同時(shí)干擾回波也較易去除,一般用于較高端的測(cè)量方案。雷達(dá)探測(cè)器的主體 中包括微波信號(hào)源、信號(hào)處理部分。工作過(guò)程中，微波信號(hào)源輸出一個(gè)波幅恒定的線性調(diào)頻的微波信號(hào)，其產(chǎn)生的頻率輸出如下圖所示：
發(fā)射頻率隨時(shí)間線性增加，增加的斜率為k，當(dāng)發(fā)射出去的連續(xù)波遇到液面發(fā)射時(shí)，發(fā)射回來(lái)的信號(hào)頻率如圖1中點(diǎn)劃線所示，它比發(fā)射信號(hào)滯后了一定時(shí)間τ。
根據(jù)微波傳播原理知道：
τ＝2R/C (1)
式中C是微波在空間中的傳播速度3×108km/s，R是液面距雷達(dá)液位儀的距離。
由于回波信號(hào)頻率的滯后，使得反射頻率與發(fā)射信號(hào)頻率之間的差頻為：
f=kτ (2)
將以上兩式合并后可以得到：
R=C×f/2k
顯然R與f是成正比的，反射液面離液位儀的距離越遠(yuǎn)所產(chǎn)生的差頻頻率f越大，因此可計(jì)算天線到反射面的距離。
信號(hào)處理部分則對(duì)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的混合信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)測(cè)量混合信號(hào)頻譜，用快速傅立葉變換（FFT）來(lái)計(jì)算混合信號(hào)，從中對(duì)混合信號(hào)頻譜進(jìn)行分析，排除掉干擾信號(hào)，然后確定天線到反射界面的距離，從而完成測(cè)量。
3． 優(yōu)點(diǎn)特性
本雷達(dá)液位計(jì)采用非接觸式測(cè)量方法。非接觸式測(cè)量方法是今年來(lái)測(cè)量物位的主要方法，目前較成熟的非接觸測(cè)量技術(shù)有超聲波、核輻射和微波。而在化工、石化等 過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，由于被測(cè)介質(zhì)普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發(fā)、冷凝等復(fù)雜工況，且對(duì)測(cè)量?jī)x表有防爆要求。相比與超聲波，微波傳播的自身特點(diǎn)決定了雷達(dá)液位 計(jì)的使用優(yōu)勢(shì)：
1） 定向傳播。
2） 準(zhǔn)光學(xué)特性。
3） 傳輸特性好。
4） 介質(zhì)對(duì)微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。
由其自身特性決定，雷達(dá)液位計(jì)在使用上具有以下優(yōu)勢(shì)：
1） 連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量：由于雷達(dá)液位計(jì)不與被測(cè)介質(zhì)接觸，且受溫度、壓力、氣體等影響非常小。
2） 維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單：雷達(dá)液位計(jì)具有故障報(bào)警及自診斷功能。
3） 適用范圍廣：非接觸式測(cè)量，方向性好，傳輸損耗小，可測(cè)介質(zhì)多。
4） 安裝簡(jiǎn)單：在各行業(yè)應(yīng)用中，雷達(dá)液位計(jì)可直接安裝到儲(chǔ)罐頂部，安裝十分簡(jiǎn)單。
4. 市場(chǎng)分析
1）橫向比較
雷達(dá)液位計(jì)通常分為脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW）兩種。脈沖雷達(dá)的工作模式與超聲物位計(jì)相似:天線周期地發(fā)射微波脈沖,并接收物料面回波,同時(shí)對(duì) 回波信號(hào)進(jìn)行分析處理,確認(rèn)有效回波,據(jù)之計(jì)算物位。正是由于工作原理的不同，導(dǎo)致兩者測(cè)量方式測(cè)量的最終精度也有所不同，脈沖雷達(dá)的測(cè)量精度不如調(diào)頻連 續(xù)波雷達(dá)（FMCW）。而且，從大量的實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，脈沖雷達(dá)的測(cè)量精度跟超聲波液位計(jì)的差不太多，而市場(chǎng)價(jià)格卻高出不少。因此，用戶在具體選擇時(shí)應(yīng)根據(jù) 實(shí)際需求選擇適合自己的性價(jià)比較好的儀表。
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