物位计测量技术难点解决方案

、物位测量技术发展

液位测量技术经历了从机械仪器到电子仪器以及从接触模式到非接触模式的发展阶段。

电平表的分类如图1所示。

在图1中，前四种测量技术属于接触测量方法，第五种辐射方法是非接触测量方法。其中，直视法是指眼睛可以直接观察到中等容量变化的方法;力测量方法是指通过向诸如指示器或传感器的目标施加外力来测量目标的方法;压力法是测量介质。种向测量探针施加压力进行测量的方法;电特性方法是种利用待测介质的电特性进行测量的方法;以及使用电磁频谱原理的辐射方法。

前四种方法要求测量仪器的全部或部分与测量介质（固体或液体材料）接触以用于测量目的。从长远来看，材料粘附物质和沉积物会粘附在这些机械部件上。当材料具有腐蚀性或易生锈的介质时，对仪器精度的影响将更加严重。在工业生产中，液位仪器的基本要求是高精度和高可靠性，这需要应用更广泛的应用和更高的精度。

二、TOF测量原理

近年来，发展快的是ToF（飞行时间）测量原理的旅行时间或传播时间，也称为回波测距原理。它是种测量能量波在空间中传播时间的方法。能量波在信号源和待测物体之间传输。在能量波到达待测物体后，它被反射并返回探头接收，属于非接触范围。

ToF测量技术可以利用的能量波是机械波（声学或超声波），电磁波（通常是K波段或X波段微波）和激光器（通常是红外波段激光器）。相应的液位计称为超声波液位。仪表，微波液位计和激光液位计。

天线发射器以距离R向待测材料发射能量波，被测量介质反射，并由天线的接收器接收。能量波的经过时间用td表示，距离R和时间td之间的关系是：td=2R/c（l）其中：c是能量波在空气中的传播速度，当声波用作能量源。 ，c=340m/s;当使用电磁波作为能源时，c=3＆次; l08m /秒。非接触测量方法是使用等式（1）中的距离R和时间td之间的关系，并以不同的方式传递时间差td。找到距离R.

三、雷达物位计分类

虽然辐射水平仪使用ToF测量原理，但是当能量波不同时，信号反射机制和信号处理是不同的。以常用的超声波和微波别仪表为例，它们均采用ToF测量原理，两者都需要信号发生器和回波信号接收器，但两个能量波在频率范围内，反射方法和信号包括距离。反射波的处理有很大的不同。

3.1 超声波物位计与微波物位计

电磁波频带非常宽，从3kHz到3000GHz，微波是指频率为300MHz到300CHz的电磁波。在电平检测中，微波使用的频带规定在4至30GHz:之间，典型频带的频率为5.8GHz，10GHz和24GHz。 5.8 GHz属于C波段微波; 10 GHz的频率属于X波段微波; 24 GHz的频率属于K波段微波。

声波是频率范围为20Hz至20kHz的机械波。从开始，当声波的振动频率高于20kHz或低于20kHz时，我们听不到它。我们将频率超过20 kHz的声波称为“超声波”。

电磁波和声波产生的原理是不同的。声波是由材料的振动产生的，不能在真空中传播。电子的振荡产生电磁波。它本身就是种物质。它不需要媒介传播。它可以在真空中。中等传播。这两个波在通过不同介质时经历折射，反射，衍射，散射和吸收。电平表使用此特性来测量距离。

双色水位计超声波液位计源自声纳技术，可提供顶部和底部安装配置。早期的超声波液位计也使用液体引导声音。超声波探头安装在水箱底部外面，超声波从底部引入。液体通过测量的液体传递到液体表面，然后反射回探针。超声波传播时间与液位的水平成比例。由于超声波以不同的声速在不同种类的被测介质中传播，因此难以制造通用产品;在实践中，将探头安装在水箱底部（特别是在液体水箱底部）的方法通常很困难。因此，在实际工业过程中，使用空气作为声音引导介质的顶部安装应用越来越广泛地使用。

超声波物位计的声信号在不同声阻的界面处反射（声阻等于物质密度px速度）。由于空气和材料的密度变化很大，它们的声阻比也非常不同。声波在空气和材料之间的界面处被反射，好像它们在镜子表面上样，并且回声信号由接收器接收。然而，由于超声波是机械波，空气中的传播波长小于17mm，传播速度受温度的影响很大。例如，当温度为0℃时，声速为331.6m/s。当温度为20°C时，声速为344 m/s。因此，必须进行温度补偿，并且当测量挥发性液体时，由于空气中包含的不同挥发性成分，声速不同，并且还产生大的误差。

与超声波物位计相比，雷达物位计的微波信号在不同介电常数的界面处反射。介电常数是表示绝缘特性的系数，用字母和ε表示。以F/m为单位，通常随温度和电介质在介质中传播的频率而变化。介电常数越大，对电荷的结合能力越强;介电常数越小，绝缘性越好。电介质的介电常数与真空介电常数ε的比值; r称为电介质的相对介电常数。常用材料的相对介电常数如表1所示。

微波以光速传播，速度几乎不受介质特性的影响，传播衰减也很小，约为0.2 dB/km。回波信号的强度很大程度上取决于被测液体表面的反射。测量的液体表面上的反射率取决于待测材料的面积和形状，主要取决于材料的相对介电常数和ε;河相对介电常数高，反射率也高，并且获得所获得的回波强度。高;相对介电常数低，材料会吸收部分微波能量，回波强度低。对于流行的雷达液位计，通常需要待测材料的相对介电常数ε; r> 4;对于具有较低介电常数的材料，需要波导来增强回波信号，或者使用更复杂的雷达。通常，测量的下限是εr>> 2.对于具有高介电常数或电导率的测量材料，有效范围要低得多。例如，20米范围内的雷达液位计，如果用于测量煤粉，有效范围可达7米。具有低介电常数等的塑料颗粒的测量是不好的。

3.2 脉冲与调频连续波雷达物位计

微波液位计可根据微波波形分为脉冲波和调频连续波。

3.2.1 脉冲雷达物位计

脉冲雷达的发射原理比较简单，即雷达向距离R的目标发射高频脉冲，微波在遇到介质后反射回来，测量发射和接收的延迟时间，并且可以通过使用等式（1）获得距离。 。但是，由于它按时间计算值，因此事件需要精确到几皮秒（1ps=10-12s）。

假设在记录时芯片的高精度为50Ps。测量误差距离的精度可以通过公式（1）获得：△R=△t＆times; c=15mm，也就是说，如果脉冲雷达只按时间处理数据，其高精度为15mm。因此，早期脉冲雷达大多采用时间扩展方法来精确测量和记录时间，加上多种平均值的测量方法。但是，随着时间的延长和平均法的推移，终精度达到5~10mm是很困难的。

3.2.2 调频连续波雷达物位计

调频连续波（FMCW）雷达的原理是发送具有定带宽和线性频率变化的连续信号，然后对接收到的连续信号进行快速傅里叶变换，并通过频率差来计算两个信号。发送和接收信号。后，时间差，如脉冲波雷达物位计，从时间差获得相应的距离值。 FMCW雷达可以实现高精度，其精度主要取决于压控振荡器的线性度和温度漂移。

FMcw雷达通过发送调频连续波信号从回波信号中提取目标距离信息。 FMcw分为线性调频和非线性调频（如正弦波调频）。当使用非线性频率调制方法时，每个目标产生的拍频不是唯的，般只适用于单目标场合，如雷达高度计;线性调频方法适用于FFT算法测量频率，是广泛使用的。以这种方式，由每个目标产生的差拍信号是单个频率，但是啁啾的线性需要高水位计。常用的调制波形是三角波和锯齿波，电平表通常使用锯齿波高频。方式。 FMCW雷达发射和接收信号的原理如图2所示。

在图2中，实线是雷达天线发射信号ft;虚线是雷达接收信号fr; B是信号的带宽。发射信号的调频周期T远大于目标大回波延迟td，即天线发射的信号被材料反射，天线接收的时间td远小于信号周期T.由于延迟，发送信号和接收信号被频率变换。它们的频率差是差频信号，可用fif表示。显然，差信号fif的大小与天线和目标之间的距离R成比例，即：

其中：c是光速，3倍; 108米/秒; T是信号周期，B是信号带宽，是已知参数。获得差频信号fif的值的简单方法是使用傅立叶变换方法来获得频谱分析。

与脉冲雷达相比，FM雷达具有很强的抗干扰能力，适用于更多环境，但比雷达贵2~2.5倍。 FMCW雷达发射连续波脉冲雷达的更大（峰值）功率。小发射功率具有以下优点：1 电源电压大大降低，这对油箱液位测量系统的安全性非常重要; 2发射系统易于使用固态设备实现，因此发射系统的尺寸大大减少且可靠。提高绩效; 3 FMCW雷达宽的信号带宽使其具有高距离分辨率和距离测量精度，以及*的抗干扰性。

四、雷达料位计测量技术难点

由于固体材料（例如沙子，煤等）具有定的休止角，因此固体表面的测量基本上是使用波在粗糙表面上的漫反射。形成漫反射的条件类似于：粒径> 1/6波长。那么波长＆λ;与频率f的关系是：c=＆lambda; f（3）可以计算出其波长为8.6mm，对于粒径为2mm以上的材料可以形成良好的漫反射;当c为光速3＆times; l08m/s时，使用5.8GHz或6GHz微波定时的X波段频率，式（3）得到的波长约为52mm，对于粒径为粒径越小，漫反射效果越差，回波信号干扰严重。为了提高测量性能，可以增加发送信号的频率，并且使用K波段（24GHz或26GHz）来获得更好的回波信号。根据雷达物位计的测量原理，雷达物位计通过处理雷达波从探头发射到介质表面然后返回探头的时间来测量水平。在反射信号中混合有许多干扰信号。因此，真实回波的处理和各种虚假回波的识别成为精确测量雷达物位计的关键因素。由于诸如液位波动和随机噪声的因素，在检测信号中不可避免地混入大量噪声。为了提高检测精度，必须对检测信号进行处理以尽可能消除噪声。

FM连续波雷达必须在传输的同时接收。如果使用相同的天线进行发送和接收，则必须有效地防止发送的信号直接泄漏到接收系统。因此，循环器可用于隔离发送和接收的信号。为了确保测量精度要求，还必须采取有效措施以确保传输信号频率的稳定性和线性。

五、结束语

近年来，微电子技术的渗透大地促进了新水平测量技术的发展，新的测量技术使水平测量仪器的结构发生了很大的变化。电池供电和无线雷达型液位计也开始出现在市场上。所有这些技术进步和价格下降正在推动基于雷达的液位计的增长。