導波雷達液位測量技術的新發(fā)展
總觀工業(yè)儀表的發(fā)展進程，每種新的測量技術都是為解決工業(yè)過程測量中的某些難題而發(fā)展起來的，從而提高了測量技術的水平并帶來相應的工業(yè)效應。近幾年來，由于雷達液位儀表測量精度高、使用范圍廣而受到廣大技術人員的歡迎。有人認為，雷達液位測量技術是一種全能的液位測量技術，可應用于所有介質的液位測量。果真如此嗎？筆者認為并非如此，雷達液位計有其使用的局限性；而最新出現(xiàn)的導波雷達GWR Guided Wave Rada]液位測量技術則彌補了雷達測量液位中的缺陷，從而具有更廣闊的應用前景。
一、雷達與導波雷達
顧名思義，雷達指通過空間傳播發(fā)射和接收電磁波的液位測量儀表，導波雷達則是通過波導體傳導來發(fā)射和接收電磁波的液位測量儀表。
用雷達儀表測量液位似乎是完美無缺，它具有以下優(yōu)點：1、發(fā)射與接收天線均不與介質接觸；2、高頻電磁波信號易于長距離傳送，可側大量程；3、測量不受液面上部空間氣相條件變化的影響。許多雷達液位儀表制造商認為，對該儀表惟一的挑戰(zhàn)是需要將價格降到可與其它液位儀表相匹敵的水平即可全面推廣應用。但隨著雷達儀表越來越多的使用，其缺點也越來越明顯。
雷達通過反射和接收高頻[GHZ]級、電磁能量，并計算電磁波達到液體面并反射回到接收天線的時間來進行液位測量；與超聲波液位計相比，由于超聲波液位計聲波傳送的固有局限性，雷達液位計性能大大優(yōu)于超聲波液位計。超聲波液位計聲納所發(fā)出的聲波是一種通過大氣傳播的機械波，大氣成分的構成會引起聲速的變化，例如液體的蒸發(fā)汽化會改變聲波的傳播速度，從而引起聲波液位測量的誤差。而電磁能量的傳送則沒有這些局限性，它可以在缺少空氣（真空）或具有汽化介質的條件下傳播，并且氣體的波動不影響電磁波的傳播速度。
雷達液位測量儀表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號，當這種信號發(fā)射進入空氣中傳播時，能量減弱的非常快，當信號到達液面并反射回來時，自液面反射的信號強度[振幅、與液面的介電常數(shù)有直接關系，介電常數(shù)非常低的非導電類介質，如氫類液體，反射回來的信號非常小這種被削弱的信號在返回至安裝于罐頂部的接收天線的途中，能量又被進一步削弱，雷達液位計所接收到的返回信號能量小于它所發(fā)出信號能量的1%；當液面出現(xiàn)波動和泡沫時，情況就變的更復雜，它將信號散射脫離傳播途徑或吸收大部分能量，從而使返回到雷達液面功能，能從大量的雜散波中分辨出真實的液位信號，當用于上述介質條件，則石油產(chǎn)品液位，液面波動厲害、起泡沫等、和復雜安裝環(huán)境情況時，雷達液位儀表制造廠商不得不降低其儀表性能指標或干脆拒絕在這種場所使用。
為了彌補雷達液位計的這些缺陷，導波雷達液位儀表運用而生，導波雷達的工作原理與常規(guī)通過空間傳播電磁波的雷達非常相似，GWR的基礎是電磁波的時域反射性TDR[TIME DO MAIN REFECTORY]多年來TDR一直被用于檢測發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內埋設電纜的斷頭。
測電纜斷頭時，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號沿電纜傳播，遇到斷頭時，就會產(chǎn)生測量反射脈沖；同時，在接收器中預先設定好的與電纜總長度相應的阻抗變化也引發(fā)出一個基本脈沖，將反射脈沖與基本脈沖相比較，可精確測出斷頭的位置。
將該原理用于液位測量時，TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生20萬個能量脈沖并發(fā)送入波導體與液體表面的接觸時，由于波導體在氣體中和液體中的導電性能大不相同，這種波導體導電性的改變使波導體的阻抗發(fā)生聚燃變化，從而產(chǎn)生一個液位反射原始脈沖，同時在探頭的頂部具有一個預先設定的阻抗，該阻抗導致一個可靠的基本脈沖發(fā)生，該脈沖又稱為基線反射脈沖。雷達液位計檢查到液位反射原始脈沖，并與基線反射脈沖相比較，計接受天線的信號更加弱小或無信號；另外當儲罐中有混合攪拌器、管道、梯子等障礙物時，這些障礙也會反射電磁波信號，從而產(chǎn)生虛假的液位信號；這就是雷達液位儀表真實的工作過程。
正因為如此，盡管雷達液位儀表的變送環(huán)節(jié)具有功能完善的微處理器，有較強的信號處理和分辨從而計算出介質的液位高度。高導電性介質[例如水等、液位產(chǎn)生較強的反射脈沖，而低導電性介質[如烴類、產(chǎn)生反射較弱，低導電性介質使得某些電磁波能沿著探頭[波導體、穿過液面繼續(xù)向下傳播，直至完全消散或被一種較高導電性的介質反射回來，這就使我們有可能采用GWR測量兩種液體的界面[如油/水界面]等，條件是界面下的液體介電常數(shù)應遠遠高于界面上液體的介電常數(shù)。
二、導波雷達的優(yōu)點
完善的液位測量儀表應是與介質無接觸，甚至是對容器無侵入的儀表，且不污染環(huán)境、無副作用、長期可靠、安裝簡便，人們一直在反復地對現(xiàn)有各種測量方法進行篩選，比較其長處和短處，試圖找出一些最好的測量的測量方法以適應石油化工測量對象。導波雷達采用一個波導體[探頭、傳播電磁能量，具有常規(guī)通過空間傳播電磁波的雷達液位儀表的全部性能，并具有如下獨特的優(yōu)點，可很好地用于石油化工設備中烴類及其它介質液位的測量。
1、能耗低。GWR輸出到波導探頭的信號能量非常小，約為常規(guī)雷達發(fā)射能量[1mW]的10%[約0.1mW]。這是因為波導體為信號至液面往返傳輸提供一條快捷高效的通道，信號的衰減保持在最小程度，因而可用以測量介電常數(shù)非常低的介質液位；另外由于導波雷達耗能小，采用回路供電而不是單獨的交流供電，從而大大節(jié)省了安裝費用。
2、由于信號在波導體中傳輸不受液面波動和儲罐中的障礙物等的影響，因而儀表所接收到的返回信號能量相應較強，約為所發(fā)射能量的20%[既0.02mW]，而且返回信號中的干擾性雜散信號極小，基本對測量信號無影響。
3、介質介電常數(shù)的變化對測量性能無明顯影響。導波雷達和常規(guī)雷達一樣，采用傳輸時間來測量
3、介質介電常數(shù)的變化對測量性能無明顯影響。導波雷達和常規(guī)雷達一樣，采用傳輸時間來測量介質液位，信號自烴類[介電常數(shù)2~3]液體表面或自水[介電常數(shù)80]面反射回傳的時間一樣的，不同的只是信號幅度[強度]的差別。普通雷達須考慮介質的影響，比較難辯識返回的各種信號，從雜散信號中檢出真正的液位信號，而導波雷達僅需測量電磁波的傳輸時間即可，無需信號的處理和辨別。
4、由于光速電磁波、是恒定的，不需要任何遷移來改變儀表量程，不需現(xiàn)場標定，僅需現(xiàn)場輸入有關參數(shù)即可使用。多臺儀表在效驗臺上僅需幾分鐘即可組態(tài)調校完畢，在組態(tài)時，需接上24VDC電源并提供每個儲罐的測量參數(shù)。
5、介質密度的變化對測量無影響，介質密度的變化影響浸沒于介質中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導體中的傳播。
6、霧氣和泡沫對測量無影響，由于電磁波不通過空間傳播，因而霧氣不會引起信號的衰減，泡沫也不會對信號進行散射而損失能量。
7、介質在波導體上的沉積和涂污對液位測量的影響極小。介質在探頭上的涂污對測量液位的影響可分為兩種：膜狀涂污和橋接。膜狀涂污是在液位降低時，高粘液體或輕油漿在探頭上形成的一種覆蓋層。由于這種涂污在探頭上涂層均勻，因此對測量基本無影響；但橋接性涂污的形成卻能導致明顯的測量誤差，，當塊狀或條狀介質污垢粘結于波導體上或橋接于兩個波導體之間時，就會在該點測得虛假液位。導波雷達液位測量技術的進一步發(fā)展，將有可能減少或完全消除這種測量誤差。
8、導波雷達液位計的價格基本上同其他常用的液位測量儀表（如浮筒液面計等）相當，遠遠低于常規(guī)交流供電、電磁波在空間傳播的普通雷達液位計。
三、導波雷達液位計與其他液位測量儀表的比較
1、雷達儀表的比較。
目前雷達液位儀表有3種：常規(guī)的空間傳播式交流供電雷達液位計、新型的空間傳播式24VDC回路供電雷達液面計和導波雷達液面計，其性能對比如下：
影響空間傳播式雷達液面計使用的主要問題是：低介電常數(shù)液體介質反射信號弱，信號衰減嚴重，液位波動和泡沫散射引起信號減弱，罐內障礙物反射引起虛假信號，為此就需要發(fā)射較強的電磁波信號，并采用功能強的微處理器進行復雜的信號處理。這就使得常規(guī)交流供電雷達液位計價格非常昂貴，但仍難以較好的解決在上述條件下的液位測量問題。
當采用24VDC回路供電時，其微處理器能力降低，發(fā)射信號強度減小，使得反射信號能量更少，其性能大大低于常規(guī)雷達液面計，在上述條件下測量液位的效果更差。
24VDC[二線制]回路供電空間傳播式雷達液位計的特點是硬件成本比常規(guī)雷達低得多，安裝成本底。由于由于采用回路供電，24V DC電源在4 MA電源時所供給液位計本身使用能量低，為此必須首先大大降低天線發(fā)射的信號能量，進而要采用低能量的微處理器來處理信號，并且要在較長的周期內對返回信號取平均值，以比較準確地計算液位。這就使得響應時間和測量周期變長，測量精度降低，明顯地限制了雷達測量液位的優(yōu)越性，降低了儀表的性能，但其價格相應較低，適用于介電常數(shù)較高的液體，測量條件較好[波動小、無泡沫、無障礙物]的場所。
導波雷達也是采用24V DC回路供電[二線制]，發(fā)射信號能量小，但由于信號沿波導體傳播，信號能量損失小，反射返回并接受到的信號比常規(guī)交流供電的雷達還強，且雜散信號非常小儀表性能和測量精度與常規(guī)220V AC 交流供電空間傳播的雷達相同，但其安裝成本和運行成本低，測量不受介電常數(shù)的限制，在液位波動及儲罐內有障礙物的情況下仍不影響測量，這就使得它的用途更加廣泛。
導波雷達與其他液位儀表的比較。液位測量技術發(fā)展到今日，已出現(xiàn)許多種成熟可靠的液位測量儀表，以其不同的性能和特定的適用范圍在不同條件的液位測量中發(fā)揮著重要的作用。壓力/壓差測量液位法、射頻導納/電容液位計、超聲波液位計和扭管式浮筒液位計等都已在工業(yè)上有了數(shù)十年的成功使用經(jīng)驗，但導波雷達液位計以其具有明顯的使用優(yōu)點及性能更加引起廣大技術人員的注意。
四、結論
采用導波雷達，優(yōu)于采用昂貴的常規(guī)雷達液面計。導波雷達液位計在許多復雜條件下使用時，綜合性能優(yōu)于其他常規(guī)液位測量技術。導波雷達液位計不受工藝復雜條件的限制，如低介電常數(shù)和變介電常數(shù)（會影響射頻導納/電容式液面計工作）、變介質密度[影響浮筒和壓力/差壓式液面計工作]、氣化、泡沫/液面波動[影響超聲波液面計工作]等的影響，可很好地解決這些介質條件下的液位測量。
對于一般介質條件，各種液位測量儀表均可采用，但采用24V DC回路供電雷達和導波雷達比采用浮筒液位計和交流供電雷達成本要低得多。
我們在選用液位儀表時，應區(qū)別不同介質工作條件及過程要求，選用成本低、精度高、價格適中、性能可靠的測量儀表。
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