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雷达物位计工作原理

美国AMETEK DE公司生产的非接触式雷达物位计，采用世界先进的FMCW （调频连续波）技术，对比较复杂的场合能进行比较准确地物位测量。

FMCW：调频连续波

FMCW雷达技术采用高频扫描信号，通常频率为8.5到9.9GHz。雷达信号从天线的一端发射，经时间t后被接收器接收。通过付氏变换分析将发射和接收的频率差△f转换为所测介质的物位。

FMCW雷达系统一般利用线性调频信号，发射频率随一定的时间（扫描频率）线性增加。由于微波发射频率是随着信号传播的时间而变化的，所以与反射体距离成比例的低频信号的频率f是从前发射频率和接收频率之间的差异获取的。这样介质的液位可以由储罐的高度和距离计算出来。

频率扫描线性度

FMCW雷达系统的精度取决于频率扫描的线性度和重复性，线性校正是通过对振荡器的参考测量来实现的。

非线性可校正到98%。

FMCW优势

与脉冲雷达技术相比，FMCW雷达技术具有以下优点：

⏹较高波段，较宽范围的微波信号，从而反射强度高，不受测量环境干扰；

⏹较高的发射频率，较小的反射角，较小的干扰反射；

⏹对于同样的应用场合，较小直径的天线就可满足测量要求。

容器底部跟踪

如果容器中的介质（大多数石油化工产品）对微波的反射性较差，则微波穿过介质传播。微波传播至容器底部然后返回，这样介质对波变成“透明”。由于微波在介质中的传播速度比在大气中的传播速度小，容器底部似乎下移动了。对这种应用场合，“容器底部跟踪”方法就能适用，其物位计能自动分析和评价这种移位。

射频导纳液位计工作原理

射频导纳是一种从电容式发展起来的、防挂料、更可靠、更准确、适用性更广得了为控制技术，射频导纳中导纳的含义为电学中阻抗的倒数，它由电阻性成分、电容性成分、感性成分综合而成，而射频即高频无线电波谱，所以射频导纳可以理解为高频无线电波测量导纳。

1、电容式物位测量原理

实验室中，平行板电容器是一个理想型的电容器，其电容量为：C=ε╳S/D,其中ε为两电容极板间介质的介质常数，S为两极板间面积，D为两极板间距离。对于一个料仓，安装一个测量系统，形成一个同轴电容器。仓内存在一个电容C= ε0 ╳S╳H0/D+ε╳S╳(H-H0) ，其中ε0 为两极间空气的介电常数，ε0=1.0006,近似=1；ε为两电极间介质的介电常数，S为两极板间等效面积，D为两极板间距离，Ho为空气段探头长度，H为探头长度。对于一个固定的料仓来说，物料的ε是固定的，S、D也是固定的，所以，推导上式可知，测量电容与物料的高度成正比。图2是测量原理框图。

利用检测桥路上的可调电容可以平衡掉初始电容，包括安装电容和线缆电容等，只剩下探头物料电容，该电容信号缩小后，输出一个与料位成正比的信号。这种电容式原理存在一

个严重弱点：即物位升高淹没探头后又落下去时，探头可能会留有附着物即挂料。这会导致被测电容加大，如果是导电液体情况会更严重，产生很大的误差。另一个缺点是探头到电路单元之间的连接电缆，在这相当于一个较大的电容，而且随温度变化。这个变化的电缆电容与物位电容叠加在一起会引起很大的误差，尤其在物料介电常数较低的场合，信号较小，这些误差将是很严重的。而射频导纳技术就能克服上述缺点。

2、点位射频导纳原理

点位射频导纳技术与电容几乎的重要区别是采用了三端技术，如图3。在电路单元测量信号上引出一根线，经同相缩小器缩小，其输出与同轴电缆屏蔽层相连，然后又连到滩头的屏蔽层相连（Cote-shield元件）。该缩小器是一个同相缩小器，其增益为“1”，输出信号与输入信号等电位、同相位、同频率但互相隔离。地线是电缆中另一条独立的导线。由于同轴电缆的中心线与外层屏蔽存在上述关系，所以二者之间没有电位差，也就没有电流流过，即没有电流从中心线漏出来，相当于二者之间没有电容或电容等于零。因此电缆的温度效应，安装电容等也就不会产生影响。对于探头上的挂料问题采用一种新的探头结构，五层同心结构：最里层是中心测杆，中间是Cote-shield屏蔽层，最外面是接地的安装螺纹，用绝缘层将其分别给起来。图4给出了探头上挂料的等效电路。与同轴电缆的情况时一样的，中心测杆与屏蔽层之间没有电势差，即使传感元件上挂料阻抗很小，也不会有电流流过，电子仪器测量的仅仅是从探头中心到主要是到对面罐壁（地）的电流，因为Cote-shield元件能阻碍电流沿探头向上流向容器壁，因而对地电流只有经探头末端通过被测物料到对面容器壁。即

UA=UBIAB=(UA-UB)/R=0由于屏蔽层与容器壁之间存在电势差，两者之间虽有电流通过，但该电流不被测量，不影响测量结果。这样就将测量段保护起来，中心测杆与地之间形成被测电流。

3、连续射频导纳原理

对于连续物位测量，射频导纳技术与传统电容技术的区别除了上述讲过的以外，还增加了两个很重要的电路，这是根据对导电挂料实践中的一个很重要的发现改进而成的。上述技术在这时同样解决了连接电缆问题，也解决了垂直安装的传感器根部挂料问题。所增加的两个电路是振荡器缓冲器和交流变换斩波器。如图5。

对一个强导电性物料的容器，由于物料是导电的，接地点可以被认为在探头绝缘层的表面，对变送器来说仅表现为一个纯电容，如图6。随着容器排料，探杆上产生挂料，而挂料是具有阻抗的。这样以前的电容现在变成了由电容和电阻组成的复阻抗，从而引起来两个问题。

第一个问题是液位本身对探头相当于一个电容，它不消耗变送器的能量，（纯电容不号能）。但挂料对探头等效电路中含有电阻，则挂料的阻抗会消耗能量，从而将振荡器电压拉下来，导致桥路输出改变，产生测量误差。我们在振荡器与电桥之间增加了一个缓冲缩小器，是消耗的能量得到补充，因而不会降低家在探头的震荡电压。

第二问题是对于导电物料，探头绝缘层表面的介地点覆盖了整个物料及挂料区，使有效测量电容扩展到挂料的顶端，这样变产生挂料误差，且导电性越强误差越大。

但任何物料都不是完全导电的。从电学角度来看，挂料层相当于一个电阻，传感元件被挂料覆盖的部分相当于一条有无数个无穷小的电容和电阻元件组成的传输线。根据数学理论，如果挂料足够长，则挂料的电容和电阻部分的阻抗相等。因此根据对挂料阻抗所产生的误差研究，又增加一个交流驱动电路。该电路与交流变换器或同步检测器一起就可以分别测量电容和电阻。由于挂料的阻抗和容抗相等，则测得的总电容相当于C测量=Cw物位+C挂料，，再减去与C挂料相等的电阻R,就可以实际测量物位真实值，从而排除挂料的影响。即C测量=C物位+C挂料

C物位=C测量-C挂料