總觀工業(yè)儀表的發(fā)展進(jìn)程，每種新的測(cè)量技術(shù)都是為解決工業(yè)過程測(cè)量中的某些難題而發(fā)展起來的，從而提高了測(cè)量技術(shù)的水平并帶來相應(yīng)的工業(yè)效應(yīng)。近幾年來，由于雷達(dá)液位儀表測(cè)量精度高、使用范圍廣而受到廣大技術(shù)人員的歡迎。有人認(rèn)為，雷達(dá)液位測(cè)量技術(shù)是一種全能的液位測(cè)量技術(shù)，可應(yīng)用于所有介質(zhì)的液位測(cè)量。果真如此嗎?筆者認(rèn)為并非如此，雷達(dá)液位計(jì)有其使用的局限性;而*新出現(xiàn)的導(dǎo)波雷達(dá)GWR Guided Wave Rada]液位測(cè)量技術(shù)則彌補(bǔ)了雷達(dá)測(cè)量液位中的缺陷，從而具有更廣闊的應(yīng)用前景。
一、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)新發(fā)展-雷達(dá)與導(dǎo)波雷達(dá)
顧名思義，雷達(dá)指通過空間傳播發(fā)射和接收電磁波的液位測(cè)量?jī)x表，導(dǎo)波雷達(dá)則是通過波導(dǎo)體傳導(dǎo)來發(fā)射和接收電磁波的液位測(cè)量?jī)x表。
用雷達(dá)儀表測(cè)量液位似乎是**無缺，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、發(fā)射與接收天線均不與介質(zhì)接觸;2、高頻電磁波信號(hào)易于長(zhǎng)距離傳送，可側(cè)大量程;3、測(cè)量不受液面上部空間氣相條件變化的影響。許多雷達(dá)液位儀表制造商認(rèn)為，對(duì)該儀表惟一的挑戰(zhàn)是需要將價(jià)格降到可與其它液位儀表相匹敵的水平即可**推廣應(yīng)用。但隨著雷達(dá)儀表越來越多的使用，其缺點(diǎn)也越來越明顯。
雷達(dá)通過反射和接收高頻[GHZ]級(jí)、電磁能量，并計(jì)算電磁波達(dá)到液體面并反射回到接收天線的時(shí)間來進(jìn)行液位測(cè)量;與超聲波液位計(jì)相比，由于超聲波液位計(jì)聲波傳送的固有局限性，雷達(dá)液位計(jì)性能大大優(yōu)于超聲波液位計(jì)。超聲波液位計(jì)聲納所發(fā)出的聲波是一種通過大氣傳播的機(jī)械波，大氣成分的構(gòu)成會(huì)引起聲速的變化，例如液體的蒸發(fā)汽化會(huì)改變聲波的傳播速度，從而引起聲波液位測(cè)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(zhì)的條件下傳播，并且氣體的波動(dòng)不影響電磁波的傳播速度。
雷達(dá)液位測(cè)量?jī)x表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號(hào)，當(dāng)這種信號(hào)發(fā)射進(jìn)入空氣中傳播時(shí)，能量減弱的非?？欤?dāng)信號(hào)到達(dá)液面并反射回來時(shí)，自液面反射的信號(hào)強(qiáng)度[振幅、與液面的介電常數(shù)有直接關(guān)系，介電常數(shù)非常低的非導(dǎo)電類介質(zhì)，如氫類液體，反射回來的信號(hào)非常小這種被削弱的信號(hào)在返回至安裝于罐頂部的接收天線的途中，能量又被進(jìn)一步削弱，雷達(dá)液位計(jì)所接收到的返回信號(hào)能量小于它所發(fā)出信號(hào)能量的1%;當(dāng)液面出現(xiàn)波動(dòng)和泡沫時(shí)，情況就變的更復(fù)雜，它將信號(hào)散射脫離傳播途徑或吸收大部分能量，從而使返回到雷達(dá)液面功能，能從大量的雜散波中分辨出真實(shí)的液位信號(hào)，當(dāng)用于上述介質(zhì)條件，則石油產(chǎn)品液位，液面波動(dòng)厲害、起泡沫等、和復(fù)雜安裝環(huán)境情況時(shí)，雷達(dá)液位儀表制造廠商不得不降低其儀表性能指標(biāo)或干脆拒絕在這種場(chǎng)所使用。
為了彌補(bǔ)雷達(dá)液位計(jì)的這些缺陷，導(dǎo)波雷達(dá)液位儀表運(yùn)用而生，導(dǎo)波雷達(dá)的工作原理與常規(guī)通過空間傳播電磁波的雷達(dá)非常相似，GWR的基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性TDR[TIME DO MAIN REFECTORY]多年來TDR一直被用于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內(nèi)埋設(shè)電纜的斷頭。
測(cè)電纜斷頭時(shí)，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號(hào)沿電纜傳播，遇到斷頭時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量反射脈沖;同時(shí)，在接收器中預(yù)先設(shè)定好的與電纜總長(zhǎng)度相應(yīng)的阻抗變化也引發(fā)出一個(gè)基本脈沖，將反射脈沖與基本脈沖相比較，可**測(cè)出斷頭的位置。
將該原理用于液位測(cè)量時(shí)，TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生20萬個(gè)能量脈沖并發(fā)送入波導(dǎo)體與液體表面的接觸時(shí)，由于波導(dǎo)體在氣體中和液體中的導(dǎo)電性能大不相同，這種波導(dǎo)體導(dǎo)電性的改變使波導(dǎo)體的阻抗發(fā)生聚燃變化，從而產(chǎn)生一個(gè)液位反射原始脈沖，同時(shí)在探頭的頂部具有一個(gè)預(yù)先設(shè)定的阻抗，該阻抗導(dǎo)致一個(gè)可靠的基本脈沖發(fā)生，該脈沖又稱為基線反射脈沖。雷達(dá)液位計(jì)檢查到液位反射原始脈沖，并與基線反射脈沖相比較，計(jì)接受天線的信號(hào)更加弱小或無信號(hào);另外當(dāng)儲(chǔ)罐中有混合攪拌器、管道、梯子等障礙物時(shí)，這些障礙也會(huì)反射電磁波信號(hào)，從而產(chǎn)生虛假的液位信號(hào);這就是雷達(dá)液位儀表真實(shí)的工作過程。
正因?yàn)槿绱?，盡管雷達(dá)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(qiáng)的信號(hào)處理和分辨從而計(jì)算出介質(zhì)的液位高度。高導(dǎo)電性介質(zhì)[例如水等、液位產(chǎn)生較強(qiáng)的反射脈沖，而低導(dǎo)電性介質(zhì)[如烴類、產(chǎn)生反射較弱，低導(dǎo)電性介質(zhì)使得某些電磁波能沿著探頭[波導(dǎo)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(dǎo)電性的介質(zhì)反射回來，這就使我們有可能采用GWR測(cè)量?jī)煞N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(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于界面上液體的介電常數(shù)。
二、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)新發(fā)展-導(dǎo)波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)
完善的液位測(cè)量?jī)x表應(yīng)是與介質(zhì)無接觸，甚至是對(duì)容器無侵入的儀表，且不污染環(huán)境、無副作用、長(zhǎng)期可靠、安裝簡(jiǎn)便，人們一直在反復(fù)地對(duì)現(xiàn)有各種測(cè)量方法進(jìn)行篩選，比較其長(zhǎng)處和短處，試圖找出一些*好的測(cè)量的測(cè)量方法以適應(yīng)石油化工測(cè)量對(duì)象。導(dǎo)波雷達(dá)采用一個(gè)波導(dǎo)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(dá)液位儀表的全部性能，并具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可很好地用于石油化工設(shè)備中烴類及其它介質(zhì)液位的測(cè)量。
1、能耗低。GWR輸出到波導(dǎo)探頭的信號(hào)能量非常小，約為常規(guī)雷達(dá)發(fā)射能量[1mW]的10%[約0.1mW]。這是因?yàn)椴▽?dǎo)體為信號(hào)至液面往返傳輸提供一條快捷高效的通道，信號(hào)的衰減保持在*小程度，因而可用以測(cè)量介電常數(shù)非常低的介質(zhì)液位;另外由于導(dǎo)波雷達(dá)耗能小，采用回路供電而不是單獨(dú)的交流供電，從而大大節(jié)省了安裝費(fèi)用。
2、由于信號(hào)在波導(dǎo)體中傳輸不受液面波動(dòng)和儲(chǔ)罐中的障礙物等的影響，因而儀表所接收到的返回信號(hào)能量相應(yīng)較強(qiáng)，約為所發(fā)射能量的20%[既0.02mW]，而且返回信號(hào)中的干擾性雜散信號(hào)極小，基本對(duì)測(cè)量信號(hào)無影響。
3、介質(zhì)介電常數(shù)的變化對(duì)測(cè)量性能無明顯影響。導(dǎo)波雷達(dá)和常規(guī)雷達(dá)一樣，采用傳輸時(shí)間來測(cè)量介質(zhì)液位，信號(hào)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(shí)間一樣的，不同的只是信號(hào)幅度[強(qiáng)度]的差別。普通雷達(dá)須考慮介質(zhì)的影響，比較難辯識(shí)返回的各種信號(hào)，從雜散信號(hào)中檢出真正的液位信號(hào)，而導(dǎo)波雷達(dá)僅需測(cè)量電磁波的傳輸時(shí)間即可，無需信號(hào)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(chǎng)標(biāo)定，僅需現(xiàn)場(chǎng)輸入有關(guān)參數(shù)即可使用。多臺(tái)儀表在效驗(yàn)臺(tái)上僅需幾分鐘即可組態(tài)調(diào)校完畢，在組態(tài)時(shí)，需接上24VDC電源并提供每個(gè)儲(chǔ)罐的測(cè)量參數(shù)。
5、介質(zhì)密度的變化對(duì)測(cè)量無影響，介質(zhì)密度的變化影響浸沒于介質(zhì)中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導(dǎo)體中的傳播。
6、霧氣和泡沫對(duì)測(cè)量無影響，由于電磁波不通過空間傳播，因而霧氣不會(huì)引起信號(hào)的衰減，泡沫也不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行散射而損失能量。
7、介質(zhì)在波導(dǎo)體上的沉積和涂污對(duì)液位測(cè)量的影響極小。介質(zhì)在探頭上的涂污對(duì)測(cè)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(shí)，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(duì)測(cè)量基本無影響;但橋接性涂污的形成卻能導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差，，當(dāng)塊狀或條狀介質(zhì)污垢粘結(jié)于波導(dǎo)體上或橋接于兩個(gè)波導(dǎo)體之間時(shí)，就會(huì)在該點(diǎn)測(cè)得虛假液位。導(dǎo)波雷達(dá)液位測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將有可能減少或完全消除這種測(cè)量誤差。
8、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的價(jià)格基本上同其他常用的液位測(cè)量?jī)x表(如浮筒液面計(jì)等)相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)交流供電、電磁波在空間傳播的普通雷達(dá)液位計(jì)。
三、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)新發(fā)展-導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)與其他液位測(cè)量?jī)x表的比較
1、雷達(dá)儀表的比較。
目前雷達(dá)液位儀表有3種：常規(guī)的空間傳播式交流供電雷達(dá)液位計(jì)、新型的空間傳播式24VDC回路供電雷達(dá)液面計(jì)和導(dǎo)波雷達(dá)液面計(jì)，其性能對(duì)比如下：
影響空間傳播式雷達(dá)液面計(jì)使用的主要問題是：低介電常數(shù)液體介質(zhì)反射信號(hào)弱，信號(hào)衰減嚴(yán)重，液位波動(dòng)和泡沫散射引起信號(hào)減弱，罐內(nèi)障礙物反射引起虛假信號(hào)，為此就需要發(fā)射較強(qiáng)的電磁波信號(hào)，并采用功能強(qiáng)的微處理器進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理。這就使得常規(guī)交流供電雷達(dá)液位計(jì)價(jià)格非常昂貴，但仍難以較好的解決在上述條件下的液位測(cè)量問題。
當(dāng)采用24VDC回路供電時(shí)，其微處理器能力降低，發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度減小，使得反射信號(hào)能量更少，其性能大大低于常規(guī)雷達(dá)液面計(jì)，在上述條件下測(cè)量液位的效果更差。
24VDC[二線制]回路供電空間傳播式雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)是硬件成本比常規(guī)雷達(dá)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(shí)所供給液位計(jì)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(hào)能量，進(jìn)而要采用低能量的微處理器來處理信號(hào)，并且要在較長(zhǎng)的周期內(nèi)對(duì)返回信號(hào)取平均值，以比較準(zhǔn)確地計(jì)算液位。這就使得響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量周期變長(zhǎng)，測(cè)量精度降低，明顯地限制了雷達(dá)測(cè)量液位的優(yōu)越性，降低了儀表的性能，但其價(jià)格相應(yīng)較低，適用于介電常數(shù)較高的液體，測(cè)量條件較好[波動(dòng)小、無泡沫、無障礙物]的場(chǎng)所。
導(dǎo)波雷達(dá)也是采用24V DC回路供電[二線制]，發(fā)射信號(hào)能量小，但由于信號(hào)沿波導(dǎo)體傳播，信號(hào)能量損失小，反射返回并接受到的信號(hào)比常規(guī)交流供電的雷達(dá)還強(qiáng)，且雜散信號(hào)非常小儀表性能和測(cè)量精度與常規(guī)220V AC 交流供電空間傳播的雷達(dá)相同，但其安裝成本和運(yùn)行成本低，測(cè)量不受介電常數(shù)的限制，在液位波動(dòng)及儲(chǔ)罐內(nèi)有障礙物的情況下仍不影響測(cè)量，這就使得它的用途更加廣泛。
導(dǎo)波雷達(dá)與其他液位儀表的比較。液位測(cè)量技術(shù)發(fā)展到今日，已出現(xiàn)許多種成熟可靠的液位測(cè)量?jī)x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(cè)量中發(fā)揮著重要的作用。壓力/壓差測(cè)量液位法、射頻導(dǎo)納/電容液位計(jì)、超聲波液位計(jì)和扭管式浮筒液位計(jì)等都已在工業(yè)上有了數(shù)十年的成功使用經(jīng)驗(yàn)，但導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)以其具有明顯的使用優(yōu)點(diǎn)及性能更加引起廣大技術(shù)人員的注意。
四、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)新發(fā)展-結(jié)論
采用導(dǎo)波雷達(dá)，優(yōu)于采用昂貴的常規(guī)雷達(dá)液面計(jì)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在許多復(fù)雜條件下使用時(shí)，綜合性能優(yōu)于其他常規(guī)液位測(cè)量技術(shù)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)不受工藝復(fù)雜條件的限制，如低介電常數(shù)和變介電常數(shù)(會(huì)影響射頻導(dǎo)納/電容式液面計(jì)工作)、變介質(zhì)密度[影響浮筒和壓力/差壓式液面計(jì)工作]、氣化、泡沫/液面波動(dòng)[影響超聲波液面計(jì)工作]等的影響，可很好地解決這些介質(zhì)條件下的液位測(cè)量。
對(duì)于一般介質(zhì)條件，各種液位測(cè)量?jī)x表均可采用，但采用24V DC回路供電雷達(dá)和導(dǎo)波雷達(dá)比采用浮筒液位計(jì)和交流供電雷達(dá)成本要低得多。
我們?cè)谶x用液位儀表時(shí)，應(yīng)區(qū)別不同介質(zhì)工作條件及過程要求，選用成本低、精度高、價(jià)格適中、性能可靠的測(cè)量?jī)x表。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
