雷达物位计传感器综述

雷达物位计传感器综述

1.雷达物位计工作原理

雷达物位计利用回波测距原理，其喇叭状或杆状天线向被测物料面发射微波，微波传播到不同相对介电率的物料表面时会产生反射，并被天线所接收。发射波与接收波的时间差与物料面与天线的距离成正比，测出传播时间即可得知距离。雷达物位计按使用微波的波形可分为调频连续波雷达物位计和脉冲波雷达物位计。

① 调频连续波雷达物位计原理

调频连续波物位雷达采用FMCW（频率调制/连续波）体制，安装在罐顶物位计通过天线向物面发射经频率调制的电磁波信号，被测表面返回的信号被发射天线接收，并与天线发射的瞬时频率信号比较。由于信号的频率按照一定规律不断变化，因此比较信号频率与天线到物面的直线距离成比例。综合测量信号与油罐形状参数，进行几何处理，就可以得到精确的物位高度和剩余量信息。主要用于高精度的高端产品，测量精度可以达0.1%FS，甚至更高。

② 脉冲波雷达物位计原理

雷达物位计天线发射极窄的微波脉冲（例如：26G频率雷达，即：发送一个△t 时间（一般为1ns）的脉冲，叠加26GHZ的正弦波信号），这个脉冲以光速在空间传播，碰到被测介质表面，其部分能量被反射回来，被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。由于其发射脉冲与接收脉冲的时间间隔非常小，一般都采用时间拓展技术，并采用多次测量求平均的方法获得最终结果。这种测量技术决定了其精度为0.2%-0.3%。

2.雷达物位计的应用领域

雷达物位计具备非接触、低保护、不挂料、抗粘贴、高性能、高可靠性，运用生存的年限长等优势，在与电容、重锤等接触式仪表对比，具备无可比拟的优良性。由于微波是电磁波，以光速传播且不受介质特性影响，所以在一些有温度、压力、蒸汽等场合，超声波物位计不能正常工作，而雷达物位计可以使用。即使极限温度、极限压力、强腐蚀介质、易挥发介质、带搅拌涡流、结垢挂料及高度飞尘粉尘等工况下也能可靠测量。

雷达物位计应用领域

① 化工与石化储存容器及工艺储罐；

② 制药业反应器；

③ 食品与饮料制造业；

④ 炼油工艺容器；

⑤ 水及污水处理；

⑥ 水电力发电及水坝；

⑦ 水泥、粉末、木片屑及其它固料测量应用。

3.雷达物位计的选型和安装使用

1、雷达物位计选型注意事项

① 接收天线挂料问题蒸汽带料和大多数料浆都具备很强的粘贴性，雷达物位计会碰到接收天线挂料的问题。挂料对介电常数小的介质没有影响，对介电常数大的介质会有影响。在接收天线近旁引入高压风对接收天线吹扫，可以避免挂料。也可选用带PTFE的防尘罩，常温状况下，只需用分子化合物塑料薄膜罩在接收天线上，定期彻底整理挂料即可。

② 固态料位的检测固态料面不平整，反射信号复杂，尤其是气动输送的粉状料位。固然理论上粉尘对雷达物位计没有影响，但数量较多的粉尘也能萌生散射，影响回波。这里可选用导波雷达物位计解决这一问题，导波雷达物位计已成功应用在成品仓的料位检测中。但导波雷达的导波缆索又容易被结实又硬的物料毁坏，在石灰岩仓料位检测中就碰到这样的问题，可选用昌晖仪表制造有限公司的高频雷达物位计，因为其发射角小，回波信号好，抗干扰性能大大增长，固态甚至于气动输送的粉料也能获得正确检测。

③ 带有蒸汽的物位检测实际应用中经常碰到蒸汽非常大的物位检测，如雷达物位计开始时监测正常，运行一段时间后会出现指示失真（失波）现象，查找不出任何问题，拆卸检查重新安装后又恢复正常。理论上说蒸汽对雷达物位计不会有什么干扰，这正是它的长处。但通过分析认为形成干扰的并不是蒸汽，而是凝结在发射接收天线上的蒸汽冷凝水。这时在选型时就要注意选择棒式接收天线，这样冷凝水顺着接收天线流掉，问题就得以解决。

2、雷达物位计的安装使用

① 雷达物位计的标准安装

标记应指向罐壁，安装标记应位于法兰的2个螺钉孔的正当半中腰；法兰的定位方向，为了准确认位，在法兰或螺丝扣上均有标记。

在安装时，此标记务必合乎：

a、法兰的指使标记应指向罐壁或罐的核心；

b、如运用导波管安装，法兰标记应指向开孔的一侧；

c、如运用旁通管安装，法兰标记应与指向连通管的一侧。

智能雷达物位计在运用过程中，回波信号的幅度表清楚安装位置是否最佳，在固体料应用场合假如回波信号幅度较低可转动法兰，每每转动一个孔位使干扰回波达到最小。

另外还可以经过虚假回波储存，达到最好检测效果。具体操作步骤如下：

a、在敞开储罐的过程连接之前，务必明确罐内无压力，并无有害媒介。

b、应明确器皿内空罐或料位刚好遮盖罐底的状况下实施定位调试，料位较少的情况下也可进行定位调试；可经过虚假回波储存，对雷达物位计回波信号进行优化。

c、将法兰标记转动一个孔位，或将螺丝扣转动1/8圈，注意回振幅度，接着旋转法兰或螺丝扣，一直到转动一圈截止，在回波信号最佳位置定位。

d、在最优位置固定好法兰或拧紧螺丝扣，若有不可缺少，改易严密封闭圈。

② 安装注意事项

a、天线平行于测量槽壁，利于微波的传播。

b、安装位置距槽壁距离应＞30cm，以免将槽壁上的虚假信号误做回波信号。

c、尽量避开下料区、搅拌器等干扰源，使波束范围内无固定物，提高信号的可信度。

d、接管直径应≤屏蔽管长度（100mm或250mm）。

4.雷达物位计在测量时常见问题及处理方法

如今雷达物位计已成为一种常用的测量工具，这是由于它具有测量精度高、不接触介质、维护方便、安装简单等优良的性能特征，因此也越来越多地应用于：

① 物面波动剧烈的动态罐介质的物位；

② 温度高，压力高介质的物位；

③ 罐内高粘度介质（如沥青，原油等）的物位；

④ 有毒、有害、易挥发的不稳定介质的物位。

但雷达物位计在测量以上介质物位时会遇到精度不准的问题，下面来了解一下影响精度的因素及解决方法。

① 雷达物位计接收反射波能的数量依赖于被测介质的反射特性，反射率取决于被测介质的传导率和介电常数两特性，介电常数低，传导率低的液体反射信号弱，信号衰减严重，因此，雷达物位计测量物位时，一定要考虑发射电磁波信号源的功率强弱。

② 被测介质的液位波动或泡沫散射会引起信号减弱，因此要提高信号源的功率或加导波管。

③ 被测介质的罐内有障碍物时，会产生虚假信号，影响雷达物位计的正常工作，为此要采用功能强的微处理器进行复杂的信号处理。同时，在安装时尽量避免罐内的障碍物。

④ 雷达物位计的安装应尽量使天线发射的电磁波垂直于被测介质的液面，同时要使天线尽可能多接收到液面反射波。

⑤ 雷达物位计在测量罐顶时，应使液面与天线保持一段距离，这是为了防止被测介质对天线会有腐蚀性。同时在测量罐底液位时，发射波可能穿透罐底液面，打到罐底，这样反射回来的波就是干扰波。或者当罐底为凹形或锥形时，当液面低于此点时，雷达物位计也无法测量。所以在信号处理的问题上，要注意限值的选定。

⑥ 雷达物位计在不同的工况中应选择不同形状的天线。为避免罐壁、罐内干扰物产生干扰，建议选用导波管来避免干扰回波。

⑦ 使用故障集中在以下几方面：

a、探头或喇叭口结晶，尤其在冬季环境温度低时易发生。

处理方法：去除结晶，用酸性清洗液清洗；采用合适的伴热或吹扫气吹扫延长结晶时间。

b、干扰大，产生假液（物）位。

处理方法：改变介电常数设置，减少干扰回波；加强屏蔽处理及接地，减少干扰源的存在。

c、雷达液位计的空高值虽然是一个测量固定值，但如果原输入的数据测量有误也会造成最终DCS系统界面显示不准。如果条件允许，建议对罐体进行1次雷达空高值的准确测定。

雷达物位计作为一种应用广泛的物位检测仪表，有众多长处。纵然背景温度、压力变动非常大，有惰性气体及挥发存在，雷达物位计也能够应用。雷达物位计波束能量较低，对人体不会导致损害。但雷达物位计也存在一定限制性。主要表现在介电常数对雷达的影响上。尽管雷达在真空中衰减极小，但在空气中