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物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况上海工业自动化仪表研究所李竞武一、 TOF 物位测量技术 1. 原理 TOF ( Time of Flight 行程时间或传播时间)测量原理,又称回波测距原理。是非接触测距的一种方法, 当前广泛应用于物位测量中。其原理是: 安装在料仓顶部的探头向仓内发射能量波, 当能量波传播到被测物料面上时, 在物料面上反射并返回到探头上被接收。波的来回传播时间就是距离的量度,并可以据之计算物位。可以利用的能量波有机械波( 声或超声波), 电磁波( 通常为 K 波段或 X 波段的微波), 光波( 通常为红外波段的激光)。相应的物位计称为: 超声物位计、微波物位计及激光物位计。 2. 超声测量物位利用超声来测量物位技术发展已很成熟,在工业工程中应用越来越广,液体、浆体、固态物料都能应用, 应用的行业有: 冶金、电力、矿山、煤炭、水和废水、化工等行业, 已成为物位测量应用中的一种重要手段。近年来在技术上没有太大发展, 近年推出的新产品主要在: 输出信号上增加现场总线接口(常用的有 Hart, Profibus, . 等);仪表的防护等级达到 IP67/68 ,可以工作于更恶劣的环境;连接电缆有的可以不用专用高频同轴电缆,用普通双绞屏蔽线也可达 360m 长;价格也逐步走低。固态物料( 矿石、煤、谷类等) 物位是超声波测量有优势的领域, 应用量很大。水和废水处理是另一个优势领域, 主要是一体形超声液位计。这两个领域, 近几年内, 仍应是超声物位计的主要市场。因为应用已成熟,性能稳定可靠,而价格比微波液位计便宜。 3. 微波测量物位 概述利用微波来检测物位是近年来发展最快的一种物位测量技术。俗称雷达物位计, 因为它是雷达( RADAR 无线电检测与测距)技术衍化而来,正确的名称应是“微波物位计”。和超声波(机械波)相比,微波(电磁波)的传播不依赖介质,故可使用于有挥发、高温及压力的工况; 传播损耗小, 量程大小对价格的影响不大; 波速不受环境影响, 故测量精度较超声物位计高, 一般产品可达 %, 精密级产品可达 1mm 绝对精度。它可以解决许多超声波技术难以胜任的工况。故应用发展很快,已成为物位测量中一种重要手段。微波在空气中传播速度约为 3× 108m/s ,与超声速度 340m/s 相比高了 6 个数量级,过程应用中物位量程一般为几米~几十米。传播时间约为数十毫微秒数量级, 要求测时精度约为微微秒数量级。 技术特点微波物位计按结构可分为以下二类。 天线式(非接触式) 微波通过天线发射与接收, 为非接触测量模式。天线可以有各种类型: 绝缘棒、园椎喇叭、平面阵列、抛物面等。绝缘棒天线通常用聚四***乙烯、聚丙烯等高分子材料制成, 耐腐蚀性能较好,可用于强酸、碱等腐蚀性介质。但微波发射角较大(约 30° ),并且边瓣较多,对于罐内结构较复杂的工况,干扰回波会较多,有时调试较复杂。椎形喇叭天线的发射角与喇叭直径及频率有关( 见表 1)。喇叭直径越大, 发射角越小。抛物面天线发射角最小,约 7° ,但天线尺寸更大,直径达Φ 454 ,开孔尺寸要> 500mm ,安装使用不大方便。发射角小, 微波能量集中, 可测较远距离( 或较低介电常数的物料, 也能有较强回波), 由于波束范围小, 干扰回波少, 可以测量较狭的料仓。平面天线采用平面阵列技术( PAT ),即多点发射源,与单点发射源相比,由于其测量基于一个平面,而不是一个确定的点,配合相应电子线路,可使微波物位计的测量精确度达± 1mm ,可用于储罐精密计量,主要用于计量级微波物位计。表1 锥形喇叭天线尺寸与波束角关系微波频率 X 波段 26GHz K 波段天线尺寸Φ 100 4″Φ 150 6″Φ 200 8″Φ 250 10″Φ 40 1 1/ 2″Φ 50 2″Φ 80 3″Φ 100 4″波束角 32° 23° 19° 15° 23° 18° 10°8° 导波式( TDR 时域反射原理) 这种结构采用接触式的测量方法, 微波物位计带有金属棒或柔性缆的导波杆, 安装时从罐顶直达罐底,工作时,微波通过导波杆外侧向下传播,在碰到物料面时由于介电常数εr 与空气不同, 就会产生反射, 并被接收。根据波的行程时间即可测出物位。这种方式虽然失去了非接触的优点, 但它可以测量介电常数较低的物料(εr≥ ), 如液化气等, 也可以测量粉状或颗粒状物料物位。但是对于会在导波杆上积料的场合, 应用会有问题, 在大量程固态物料应用时,导波缆有时会被下降物料拉断。微波物位计按使用微波的波形分类, 可分为: 调频连续波( FMCW )、脉冲波及调频脉冲波三类。早期的微波物位计都采用调频连续波方式, 虽然其线路结构较复