雷達液位計的應用

摘要：雷達液位計具有許多優點，近年來應用廣泛。本文介紹了一種調頻連續波雷達液位計。簡單介紹了雷達液位計的工作原理，分析了市場上各類物位儀表的優劣性，并做了相應的性能分析和比較。

關鍵詞：雷達液位計，調頻連續波，微波

1． 引言

自上個世紀九十年代以來，雷達液位計進入市場，由于測量精度高、超群的耐高溫高壓的能力以及采用了非接觸的測量方式使安裝使用簡易方便，其較高的可靠性成為近十年來罐區液位過程監測的首選儀表。

液位儀表是工業測量中不可缺少的重要儀表。液位儀表的種類繁多，根據介質和現場條件的不同，各類液位計各具優勢，形成一個多元化的局面。罐區儲罐由于其容 積較大，要求液位計的精度較高，過去大多用浮子鋼帶式液位計，伺服式和靜壓式也有一定應用量。浮子鋼帶式液位計安裝復雜，可靠性較低，靜壓式液位計受介質 密度和溫度影響很大，為消除這些影響，一套完善的靜壓測量系統其價格也很高；伺服式液位計精度較高，但由于其有機械傳動機構，不可避免帶來磨損問題，同時 價格也偏高。近年來出現的光纖液位計、磁致伸縮液位、超聲波液位計以及核輻射液位計各具其優缺點，光纖液位計可以做到現場無電檢測，安全性好，這是其突出 的優勢，缺點是仍然有很多機械傳動部件，故障率就會增加，安裝也復雜些。磁致伸縮液位精度較高，但由于其接觸的測量方式和較高的安裝、維護要求導致市場普 及不廣。超聲波物位計雖精度較雷達液位計略低，但其安裝簡單價格適中，在防爆領域，目前超聲波液位儀的量程是一個問題，一般小于8米，遇到高溫罐，問題也 會更大。核輻射液位計因有放射源，應用需特別批準，應用范圍受到限制。而雷達液位計進入市場后，由于自身的優勢迅速成為液位測量中的首選儀表。

本文著重介紹的是珠�？祵毴R儀表有限公司自行研發設計的調頻連續波國產雷達液位計。

2． 測量原理

本雷達液位計主要由雷達探測器（一次表）和雷達顯示儀（二次表）組成。雷達探測器主要由主體、連接法蘭和天線三部分組成。天線分為喇叭型和直接與波導管連 接兩種形式。雷達顯示儀提供連接上位計算機的RS-485接口，可以傳遞液位等參數及報警信號，亦可通過上位計算機對智能雷達顯示儀進行控制。

雷達探測器采用的是線性調頻連續波測距原理：天線發射的微波是頻率波線性調制的連續波,當回波被天線接收到時,天線發射頻率已經改變。根據回波與發射波的 頻率差可以計算出物料面的距離。FMCW方式測量線路較復雜,從而測量精確度較高,同時干擾回波也較易去除,一般用于較高端的測量方案。雷達探測器的主體 中包括微波信號源、信號處理部分。工作過程中，微波信號源輸出一個波幅恒定的線性調頻的微波信號，其產生的頻率輸出如下圖所示：

發射頻率隨時間線性增加，增加的斜率為k，當發射出去的連續波遇到液面發射時，發射回來的信號頻率如圖1中點劃線所示，它比發射信號滯后了一定時間τ。

根據微波傳播原理知道：

τ＝2R/C (1)

式中C是微波在空間中的傳播速度3×108km/s，R是液面距雷達液位儀的距離。

由于回波信號頻率的滯后，使得反射頻率與發射信號頻率之間的差頻為：

f=kτ (2)

將以上兩式合并后可以得到：

R=C×f/2k

顯然R與f是成正比的，反射液面離液位儀的距離越遠所產生的差頻頻率f越大，因此可計算天線到反射面的距離。

信號處理部分則對回波信號與發射信號的混合信號進行處理，通過測量混合信號頻譜，用快速傅立葉變換（FFT）來計算混合信號，從中對混合信號頻譜進行分析，排除掉干擾信號，然后確定天線到反射界面的距離，從而完成測量。

3． 優點特性

本雷達液位計采用非接觸式測量方法。非接觸式測量方法是今年來測量物位的主要方法，目前較成熟的非接觸測量技術有超聲波、核輻射和微波。而在化工、石化等 過程工業領域，由于被測介質普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發、冷凝等復雜工況，且對測量儀表有防爆要求。相比與超聲波，微波傳播的自身特點決定了雷達液位 計的使用優勢：

1） 定向傳播。

2） 準光學特性。

3） 傳輸特性好。

4） 介質對微波吸收與介質的介電常數成比例。

由其自身特性決定，雷達液位計在使用上具有以下優勢：

1） 連續準確測量：由于雷達液位計不與被測介質接觸，且受溫度、壓力、氣體等影響非常小。

2） 維護方便，操作簡單：雷達液位計具有故障報警及自診斷功能。

3） 適用范圍廣：非接觸式測量，方向性好，傳輸損耗小，可測介質多。

4） 安裝簡單：在各行業應用中，雷達液位計可直接安裝到儲罐頂部，安裝十分簡單。

4. 市場分析

1）橫向比較

雷達液位計通常分為脈沖雷達和調頻連續波雷達（FMCW）兩種。脈沖雷達的工作模式與超聲物位計相似:天線周期地發射微波脈沖,并接收物料面回波,同時對 回波信號進行分析處理,確認有效回波,據之計算物位。正是由于工作原理的不同，導致兩者測量方式測量的最終精度也有所不同，脈沖雷達的測量精度不如調頻連 續波雷達（FMCW）。而且，從大量的實測結果來看，脈沖雷達的測量精度跟超聲波液位計的差不太多，而市場價格卻高出不少。因此，用戶在具體選擇時應根據 實際需求選擇適合自己的性價比較好的儀表。