一种导波雷达液位计的设计与实现
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通常，导波雷达液位计采用工作频率为 5．8GHz 的脉冲信号，测量范围可达 20m，并在 20m 范围内任 意设定。 脉冲信号通过导波杆传播，而不是通过空气 传送，导波杆上的空气和凝结水不会影响性能，使得 它适合长时间测量低介电常数的产品［4］。 对于测量 不同的介质，被测介质导电性越好或介电常数越大， 回波信号的反射效果越好， 就越容易检测出准确的 液位值。 例如，测量水的液位比丙烷更容易。
仪器仪表装置
（2）信号处理模块 主要包括 2 路直接数字频率合成器（DDS）窄脉 冲生成电路、窄脉冲发射和接收电路、回波的滤波放 大和整形电路、峰值检波电路。 完成信号的发射、接 收以及检波， 再送入 MSP430 微处理器处理运算的 功能。 （3）测量部分 主要包括射频连接器、导波杆以及相应的法兰 连接等机械结构。 2．2 工作过程 整个系统的工作过程分为以下 4 部分： （1）信号的发射 由单片机每个周期产生 PWM 信号， 控制由计 数器和数模转换器构成的直接数字频率合成器 （DDS）电路。 从而使其周期性产生两路窄脉冲信号， 再经过功率放大和发射电路后， 产生出 5．8GHz 的 窄脉冲信号。 通过射频连接器、法兰和导波杆相连， 使信号在导波杆上传播。 如图 3 所示，发射的脉冲在导波杆接口处，首先 会产生一个顶部回波，接着会沿着导波杆往下传播。 当遇到介质平面时，在交界接触处，由于介电常数发 生变化，导致探头阻抗特性发生变化，因此在交界处 产生一个回波，即液位回波。 这些回波会被反射回 接收电路。
1 工作原理
脉冲式的导波雷达液位计是利用时差式实现 测量的。 它运用了 TDR（时域反射）原理，通过探头 发 射 波 和 液 面 反 射 波 之 间 的 时 间 差 来 测 量 液 位 ［2］。
导波雷达液位计采用发射－反射－接收的工作 方式，测量原理如图 1 所示（以测量液体为例），采 用导波天线发射出超高频电磁波，当电磁波碰到液
导波雷达液位计是一种利用电磁波而实现的 液位测量仪，通常测距雷达按发射源的不同可以分 为两种： 脉冲 （Pulse） 雷达和调频连续波 （ FMCW） 雷达。 本系统采用脉冲雷达原理设计了一种 导波雷达液位计。
面后，由于介电常数发生突变，导致探头特性阻抗发 生变化，信号被反射回来， 反射波被同一天线接收， 仪表检测出发射波及回波的时差， 并经过智能化信 号处理器， 计算出被测液位的高度。
Design and Implementation of Guided Wave Radar Level Meter
LIU Wei-jia， ZHAO Hui， TANG Mei-qin
（School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China） Abstract：The radar level meter possesses mang virtues and was applied more and more broadly in recent years．A guided wave radar water-level meter was designed for the needs of modern industry．On the basis of analyzing the principle，the features and configuration of the level meter were described in detail． The field tests revealed that the level meter performs well and meets the requirements of industrial applications． Key words：guided wave radar；water-level； pulse type； equivalent time sampling
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Automation ＆ Instrumentation 2009(11)
经信号处理后得到法兰连接到被测介质表面 的 距 离 D，D 与 脉 冲 在 杆 上 的 传 播 时 间 t 成 正 比 ， 即：D＝C×t ／ 2，其中，C 为光速。因罐体高度为 H，可计 算出液面高度 h＝H－D［3］。
收 稿 日 期 ：2009-08-28；修 订 日 期 ：2009-09-15 作者简介：刘伟佳（1985－），男，硕士研究生，研究方向为流量计量技术；赵辉（1963－），男，副教授，博士生导 师 ，研 究 方 向 为
流 量 计 量 技 术 ；唐 美 芹 （1983－），女 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 流 量 计 量 技 术 。
实际上， 由于被测液体本身和探头的原因，在 量程的上部和下部都存在一段死区，分别为上部死 区和下部死区测量误差会偏大。 上部死区液面到上 参考点之间能测到的最小距离大约（110～150）mm。
2 硬件实现设计
2．1 硬件系统结构 系统硬件分为三部分：信号处理模块，CPU 通信
和显示模块以及测量部分。 系统结构图如图 2 所示。
（1）CPU 通信和显示模块 主要包括 MSP430 微处理器、液晶显示、（4～20） mA 电流输出和 HART 协议通信。 这部分主要实现实 时显示液位、模拟输出电流和量程百分比的功能，以 及和外部的电流输出、HART 协议通信的功能。 系 统 选 用 具 有 超 低 功 耗 的 16 位 单 片 机 MSP430F149 作为信号处理核心，片内资源丰富，内 含 60K 字节 Flash ROM，2K 字节 RAM。பைடு நூலகம்单片机的 工作电压范围为 1．8~3．6V，系统功耗极低［5］。 液晶显 示使用的是段码式液晶屏，HART 芯片 HT20C15 和 AD421 电流环电路实现和上位机的通信。
仪器仪表装置
文 章 编 号 ：1001-9944(2009)11-0014-04
一种导波雷达液位计的设计与实现
刘伟佳，赵 辉，唐美芹
（电子科技大学 自动化工程学院，成都 610054）
摘要：雷达液位计近年来应用越来越广泛，针对现代工业需要，研制了一种导波雷达液位 计。 在分析导波雷达液位计测量原理的基础上，详细描述了该仪器系统的主要组成结构和 各模块的功能特点。 现场测试结果表明，该液位计性能稳定，可满足工业应用的要求。 关键词：导波雷达；液位计；脉冲式；等效时间采样 中图分类号：TH816 文献标志码：B
仪器仪表装置
（2）信号处理模块 主要包括 2 路直接数字频率合成器（DDS）窄脉 冲生成电路、窄脉冲发射和接收电路、回波的滤波放 大和整形电路、峰值检波电路。 完成信号的发射、接 收以及检波， 再送入 MSP430 微处理器处理运算的 功能。 （3）测量部分 主要包括射频连接器、导波杆以及相应的法兰 连接等机械结构。 2．2 工作过程 整个系统的工作过程分为以下 4 部分： （1）信号的发射 由单片机每个周期产生 PWM 信号， 控制由计 数器和数模转换器构成的直接数字频率合成器 （DDS）电路。 从而使其周期性产生两路窄脉冲信号， 再经过功率放大和发射电路后， 产生出 5．8GHz 的 窄脉冲信号。 通过射频连接器、法兰和导波杆相连， 使信号在导波杆上传播。 如图 3 所示，发射的脉冲在导波杆接口处，首先 会产生一个顶部回波，接着会沿着导波杆往下传播。 当遇到介质平面时，在交界接触处，由于介电常数发 生变化，导致探头阻抗特性发生变化，因此在交界处 产生一个回波，即液位回波。 这些回波会被反射回 接收电路。
1 工作原理
脉冲式的导波雷达液位计是利用时差式实现 测量的。 它运用了 TDR（时域反射）原理，通过探头 发 射 波 和 液 面 反 射 波 之 间 的 时 间 差 来 测 量 液 位 ［2］。
导波雷达液位计采用发射－反射－接收的工作 方式，测量原理如图 1 所示（以测量液体为例），采 用导波天线发射出超高频电磁波，当电磁波碰到液
导波雷达液位计是一种利用电磁波而实现的 液位测量仪，通常测距雷达按发射源的不同可以分 为两种： 脉冲 （Pulse） 雷达和调频连续波 （ FMCW） 雷达。 本系统采用脉冲雷达原理设计了一种 导波雷达液位计。
面后，由于介电常数发生突变，导致探头特性阻抗发 生变化，信号被反射回来， 反射波被同一天线接收， 仪表检测出发射波及回波的时差， 并经过智能化信 号处理器， 计算出被测液位的高度。
Design and Implementation of Guided Wave Radar Level Meter
LIU Wei-jia， ZHAO Hui， TANG Mei-qin
（School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China） Abstract：The radar level meter possesses mang virtues and was applied more and more broadly in recent years．A guided wave radar water-level meter was designed for the needs of modern industry．On the basis of analyzing the principle，the features and configuration of the level meter were described in detail． The field tests revealed that the level meter performs well and meets the requirements of industrial applications． Key words：guided wave radar；water-level； pulse type； equivalent time sampling
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经信号处理后得到法兰连接到被测介质表面 的 距 离 D，D 与 脉 冲 在 杆 上 的 传 播 时 间 t 成 正 比 ， 即：D＝C×t ／ 2，其中，C 为光速。因罐体高度为 H，可计 算出液面高度 h＝H－D［3］。
收 稿 日 期 ：2009-08-28；修 订 日 期 ：2009-09-15 作者简介：刘伟佳（1985－），男，硕士研究生，研究方向为流量计量技术；赵辉（1963－），男，副教授，博士生导 师 ，研 究 方 向 为
流 量 计 量 技 术 ；唐 美 芹 （1983－），女 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 流 量 计 量 技 术 。
实际上， 由于被测液体本身和探头的原因，在 量程的上部和下部都存在一段死区，分别为上部死 区和下部死区测量误差会偏大。 上部死区液面到上 参考点之间能测到的最小距离大约（110～150）mm。
2 硬件实现设计
2．1 硬件系统结构 系统硬件分为三部分：信号处理模块，CPU 通信
和显示模块以及测量部分。 系统结构图如图 2 所示。
（1）CPU 通信和显示模块 主要包括 MSP430 微处理器、液晶显示、（4～20） mA 电流输出和 HART 协议通信。 这部分主要实现实 时显示液位、模拟输出电流和量程百分比的功能，以 及和外部的电流输出、HART 协议通信的功能。 系 统 选 用 具 有 超 低 功 耗 的 16 位 单 片 机 MSP430F149 作为信号处理核心，片内资源丰富，内 含 60K 字节 Flash ROM，2K 字节 RAM。பைடு நூலகம்单片机的 工作电压范围为 1．8~3．6V，系统功耗极低［5］。 液晶显 示使用的是段码式液晶屏，HART 芯片 HT20C15 和 AD421 电流环电路实现和上位机的通信。
仪器仪表装置
文 章 编 号 ：1001-9944(2009)11-0014-04
一种导波雷达液位计的设计与实现
刘伟佳，赵 辉，唐美芹
（电子科技大学 自动化工程学院，成都 610054）
摘要：雷达液位计近年来应用越来越广泛，针对现代工业需要，研制了一种导波雷达液位 计。 在分析导波雷达液位计测量原理的基础上，详细描述了该仪器系统的主要组成结构和 各模块的功能特点。 现场测试结果表明，该液位计性能稳定，可满足工业应用的要求。 关键词：导波雷达；液位计；脉冲式；等效时间采样 中图分类号：TH816 文献标志码：B