导波式微波物位计的原理及应用

导波式微波物位计的原理及应用一、概述：利用微波来测量物位，是回波测距法或渡越时间法（TimeofFlight,简称TOF）中的一种。是近年来发展最快的物位测量技术。是利用被测物料面对所发射微波的反射来测量物料面位置，类似于雷达（Radar），故俗称雷达物位计。2007年微波物位计在全球的销售额约为3.88亿美元，年增长10.3%，是连续物位计中增长最快的，已进入产品的生命成熟期。近年推出的产品采用的微波频率更高（K波段，24~26GHz）无线尺寸更小（喇叭天线直径可小至Φ40）。测量精确度也更高（一般可达到0.1%F*S）并且已有电池供电，无线通讯的微波物位计推出。微波物位计在结构上可以分为两大类：1．天线式（或称自由空间雷达FreeSpaceRadar）2．导波式（或称导波雷达GuidedWaveRadar）早期天线式微波物位计发展较快，因为它是用天线向被测物料面发射微波，接收回波并计算距离来换算物位高度。微波在物料面上部的自由空间传播，被测物料和仪表部件是非接触的，安装使用均方便。而且微波受传播介质特性及环境的影响较超声波小的多，故发展很快。但在使用中发现在以下场合，天线式微波物位计并不能很好的工作：1．被测物料介电常数较低（εr＜2)2．在较狭小的空间内测量3．在有很陡的安息角的固态物位测量4．高温，高压等工况导波式微波物位计是将时域反射测量技术（TimeDomainReflectometry简称TDR），等效时间取样技术（EuivalentTimeSampling简称ETS）和微功耗电路的结合而产生的一种新型测量仪表，由于用于物位测量的TDR也采用C波段的6GHz微波频率，故也归类于微波物位计的一类，只是微波是通过波导传播。它虽然丧失了非接触测量的优点，但能应用于上述困难工况，并且价格比传统的微波物位计低得多，故近几年得到较大发展。二、TDR测量原理及技术要点：时域反射原理技术（TDR）在电力、电讯等行业中应用已有多年，用来找出电缆或电线的断裂点或短路点。沿电缆（线）发射一个电磁波脉冲，它在金属导体外侧往前传播，在遇到金属导体断裂、短路时，电磁波会返回。由于电磁波是以光速传播，故根据接受到回波的传播时间，可以准确确定断裂点位置，以便维修。TDR技术应用于物位测量时，要用金属波导体来作为电磁波的传播导体，其原理如图（1）所示，一根金属波导体自容器顶部伸入，直达底部，覆盖整个物位量程。被测物料（液体或散状固体）埋住部分波导体，通常采用脉冲式工作方式，采用C波段的6GHz左右微波频率，从顶部定期发射微波脉冲沿波导体外侧向下传播，当传播到介电常数的突变点（物料面）时，根据空气（εr=1）与被测物料面介电常数（εr1）的差别,部分微波能量进入被测物料继续传播,部分微波能量反射,并沿原路径返回.反射量的大小取决于两者介电常数的差别,相差越大,反射角越大,由于微波是沿波导外侧一个小区域中传播,能量不扩散,干扰回波少,故即使被测物料介电常数较低,微波反射能量较少,也能接受到信/噪声比好的回波,可靠测量到物位。早期的天线式微波物位计大多采用（频域测量）用调频连续波（FMCW）方式，测量的是发射波与反射波的频率差，导波式是采用脉冲方式，测量的是发射波与反射波的时间差（时域测量）。随着技术发展，现在天线式微波物位计大多数采用脉冲波方式，测量时间差。生甚至连频率也相同，两者已无多大差别。但由于历史习惯，凡国外文献中提到TDR原理或技术，往往是来指导波式微波物位计。导波式微波物位还能同时测量分层液位的液-液分界面位置，如油-水界面。条件是下层液体的介电常数要比上层液体介电常数大5倍或更多，或上曾是绝缘介质，下层是导电介质。微波脉冲在第一层液面上反射部分能量后，进入第一层液体的微波在传播到第二层液体分界面时，大部分反者回去并穿过第一层液体液面，传播回发射器。这样，当发射一个微波脉冲后，会先后收到两个反射回波。根据这两个回波的不同时间差，可以计算出两层液体的液面位置。三、等效时间取样（ETS）技术TDR用于电缆断点定位时，由于断点距离往往是几公里或更远，定位精度也不需要很高，而用于物位测量时，距离要小得多最多是数十米，而微波以光速传播，故时间差是很小的，如以量程20m的储罐为例，微波脉冲往返一次的时间约为133ns，实实际那测量这么小的时间差并且达到足够精度（0.1%F*S）是困难的。在应用TDR到物位测量中，等效时间取样或ETS技术是关键，它能处理高速，低功耗的电磁脉冲群。当采用连续发射脉冲群时，每个发射脉冲都可以得到一个回波。故脉冲波形是多次重复的。ETS技术实时捕捉这些微波脉冲，并以扫描取样方式在每个周期中取一小段，并且顺时延后取样时间，每次扫描采集多达几万个取样点，将这些取样点重新组合成一个波形，其形状和单个波形是一样的，但周期扩大了，例如上面例子，可以通过等效时间取样方式，重建一个一样形状的回波曲线，但发射波与接收波之间时差为200ms。这样的时间差和超声物位计所检测的时间差是相同数量级的，是非常容易测量的，而且其后的回波处理也可借用超声物位计的处理软件。四、探头（波导体）的结构种类导波雷达与自由空间雷达的最大差别是，后者微波是在自由空间传播，而前者是沿导波体传播，所以必须有导波体，我们通常称为探头。其形式上与电容式物位计探头相似，其长度必须覆盖整个测量量程。探头结构形式决定其基本性能，常用的探头有三种形式。同轴式、双杆式、单杆式。每种都有特定的优点及局限性，因此应用时选型是很重要的。（1）、同轴式探头同轴式探头是所有结构中最有效的并且在所有应用场合中应该首先考虑的。其结构如图（2）所示，由一根金属棒及一根金属圆管同轴安装而成，微波脉冲在棒和圆管内的空间传播，由于微波传播的电磁场完全被封闭在金属外套管和金属棒之间，能量不扩散，也不会受到外界电磁场影响，所以传播效率高，即使对介电常数极低（εr≈1.4）的应用场合，液面反射信号很小，也能较好地传播及被接受，讯噪比高，所以可以适用的介电常数下限最低（约εr≈1.4），但是管内壁挂料或积垢会产生干扰回波，造成测量不可靠，一般应用于清洁液体。由于结构上的限制，其最大量程约为6m。同轴式探头为了适应不同工况，其探头机械设计是不一样的，选型时要问清工况，表（1）列出了同轴式探头的不同型号及其应用时的注意要。表（1）（2）、双杆式探头双杆式探头由两根平行的金属杆组成，与同轴式探头之间的差别类似于电视机旧式平行双芯天线引入线与现代同轴电缆之间的差别。平行双芯电缆没有同轴电缆传输效率高，双杆式的灵敏度也不如同轴式探头灵敏度高，所以这种结构的探头可以测量最低介电常数εr2。探头的结构及电磁场如图（3）所示，电磁场不仅在两杆之间形成，还向外扩展，可以如果附近有金属导体靠近，会产生影响。双杆式探头开放式的设计方案使在探头上挂料的影响较小，但两杆之间物料搓挤，或在隔离器上结垢会导致测量异常。也可以用柔性金属缆组成双杆式探头，长度可达35m，表Ⅱ是列出了双杆式探头的不同型号及其应用时注意点。液体、散状固体料位都可应用。（3）单杆式探头单杆式探头是结构最简单的探头，由一根金属杆（或柔性金属缆）构成。其电磁波脉冲在导波杆与安装法兰/螺纹（包括金属顶板）之间形成，脉冲沿导波杆向下传播，它的基准点（或地）在储罐顶部。微波脉冲的发射与传播效率与储管顶部探头附近有多少金属表面直接相关。图（3）表示单杆式的结构图，还表示出以储罐顶部为地的电磁场的形状，如同泪珠。单杆式的发射及传播效率最低，所以通常对被测介质要求εr10。介电常数过低因反射信号弱不能可靠工作。但对探头上挂料及结垢不敏感。对于挂料的场合，可选用带PTFE涂层的探头，既能耐强腐蚀，又能防黏附。使用范围广。另外，由于其电磁场是开放的，故测量受物体接近能度影响较大。如果使用时靠近金属罐壁安装，与之平行的金属壁相当于平行的另一根杆，所以微波脉冲的发射与传播效率都可提高。同时其他金属物体（管道、横梁等）靠近探头位置时，也可能被当作物位而产生反射波。五、性能特点及选型要点：1，导波雷达有以下特点：（1）低功耗，24VDC，两线制回路供电，4～20mADC/Hart输出（2）液体，散状固体都能测量，量程可达22.5m,精度0。1%FS（3）能同时测量分层液体的液面及液-液界面，量程大6m（4）探头高温可耐427℃，低温可耐-195℃高压可耐43Mpa,真空也可应用（5）独特的探头结构可应用与特殊工况，如高温高压蒸汽，液-液截面，满罐测量，卫生场合等（6）比重，介电常数等物理参数变化不会影响测量精度（7）能测量介电常数低达εr≥1.4的物料物位（如丙烷、乙烷）（8）有本安、隔爆、组燃等多种安全认证。2，以上宽范围的工况，并不是一种型号的探头能满足的，从前叙探头结构的列表中可以看出，每种探头的规格参数的性能是不同的，所以选型时主要是选择探头的型号，必须考虑以下几点：（1）被测物料的介电常数（2）被测物料的量程（探头长度必须覆盖整个量程）（3）过程压力及温度（4）被测过程有否水蒸气等（5）探头接液材质的化学兼容性，是否有积料（6）安装状态：主管尺寸，顶部净空（7）在固态物料应用时，要考虑探头可能受到的拉力。3，安装时的注意点；（1），立管在金属容器上通常通过安装立管来安装探头。同轴式探头对安装立管无特殊要求，单杆式和双杆式探头对靠近金属物体敏感，所以单杆式要求立管直径A≥2″（50mm），双杆式要求A≥3″（80mm）。两者都要求立管直径A与立管长度B之比A/B≥1，如果无法满足后面条件，则调整时需对灵敏度和盲区进行调整。另外，不可采用大小头安装（见图）。（2），金属障碍物如前所述，对于单杆和双杆式探头，微波脉冲传播时，在杆的周围有电磁场，所以特别是单杆式探头如果在电磁场的范围内有金属物体，就会产生反射波，会产生错误读数。故安装时要注意避开金属障碍物（见表）。表：障碍物允许的障碍物离探头的距离连续，平滑平行的导电表面（如储罐壁）。探头允许碰到壁≥150mm1″（Φ25）直径的管子及横梁，梯子≥300mm3″（Φ80）直径的管子和横梁，混凝土墙≥400mm（3）探头底部绝缘固定探头的底端应该是稳定的，不允许扰动，否则会带来测量误差，有一种TFE（四氧乙烯）底部绝缘固定件，可用于固定探头底端，并避免探头与金属罐底相接触。单杆式探头的金属罐内安装时，如果能靠近罐壁安装，探头与罐壁平行，且不接触，则罐壁相当于另一电极，和双杆式类似。微波传播效率会增加，可以测量较低的介电常数的物料。（dk＞1.9）(4)非金属罐的安装在非金属罐内安装时，因为没有金属罐体作接地电极，微波发射效率会降低，建议用法兰方式安装，或用螺纹安装时安装一块金属圆板（见图6），这样可以得到较理想的微波发射和接收。六典型应用实例1，塑料粒子料位测量相对介电常数dk＞2量程：20m压力：大气压温度：20℃探头选型：7ML1302-2，柔性双杆式探头，专用于轻质散状固体料位测量评述：塑料粒子由于介电常数较低，用自用空间雷达，反射讯号弱，如采用高频（26GHz），大量程（100m量程）虽也可以测量，但价格高，采用导波雷达，工作更可靠，价格也低很多。由于塑料粒子轻，和探头磨损及拉力均不影响，是较合理的选型。2，界面测量同时读出上层液面及液-液分界及位置使用7ML1301-6同轴式探头，长度6.1mmax回路供电的变送器通过HART通讯输出液面及界面信号上层液体dK=1.4～5，底层液体dk＞15使用于清洁液体及清晰的液-液分界面评述：可以用一台仪表同时测量液面及界面，安装使用方便且节约成本，而且可用于有爆炸设备危险场合。3，锅炉汽包液位测量可用于锅炉汽包及电动锅炉的低压及高压加热器采用HT/HP蒸汽型同轴式探头，量程最大6.1m在16.5Mpa压力下最高可耐温343℃带蒸汽波速补偿算法，补偿蒸汽dk变化的影响是扭力管式电浮筒液位计的升级换代产品评述：锅炉汽包及高压加热器是同时具有高温，高压及蒸汽的特殊工况。传统用扭力管型电浮筒液位计测量，由于有活动部件，并且需实物标定，维护成本高，导波式雷达液位