物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况

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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, F.F. 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

3.1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0.1 ％，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。

3.2技术特点

微波物位计按结构可分为以下二类。

3.2.1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氟乙烯、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Φ454，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

5.8GHz X波段26GHz K 波段

频率

天线Φ 100 Φ 150 Φ 200Φ 250Φ 40Φ 50Φ 80Φ 100

尺寸4″6″8″10″11/ 2″2″3″4″

波束

32°23°19°15°23°18°10°8°

角

3.2.2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 ≥ 1.2），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杂，成本较高，但因为微波的行程时间仅为毫微秒数量级，如直接测时间差，测时精度要达微微秒数量级。在当时技术条件下难以低成本实现，调频连续波方式是测发射波与反射波的频差，易于实现。90年代后期，高精度测时技术已很成熟，故这一阶段推出的微波物位计均采用脉冲法，直接测时，成为微波物位计中主要采用的方式。调频连续波方式主要用于高精度的高端产品。也有将这两者结合起来的调频脉冲波方式，脉冲波的载波是连续调频的，回波也是通过频差的方式来测量距离，而不是直接测时间，这样精度可以较高，主要用于精密型的液位测量。

3.3应用

微波物位计在下列领域的应用中，技术上有优势。

3.3.1高温、高压、腐蚀、带搅拌等复杂工况

沥青、酸碱罐、反应釜、主要在化工、石油化工等行业。

3.3.2高炉炉料料位，高温融熔金属液位

这类工况被测物料温度较高，由于热辐射，物位计安装位置温度很高，故通常采用带弯曲延

伸管的喇叭天线，电子部件在远离热辐射区域，不锈钢喇叭天线能耐受较高温度。而微波的传播与反射不受温度影响。（附图）

3.3.3粉状、颗粒状料位

测量固态物料要用专用型号的微波物位计，其信号处理软件和测量液位的微波物位计是不同

的。粉状料位（电厂灰库、水泥厂均化库及成品库料位）一般采用气动输送，料仓中空间粉

尘很大。水泥均化库还从下部往上吹气，料面不是很清晰。Siemens 公司 LR400 微波物位计