物位計(jì)測(cè)量技術(shù)分析及應(yīng)用研究

　　引言

　　調(diào)頻連續(xù)波( frequency modulated contin - uous wave，F(xiàn)MCW)雷達(dá)是一種通過對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來獲得距離與速度信息的雷達(dá)體制系統(tǒng)，由于它具有無距離盲區(qū)、高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了人們的廣泛關(guān)注。

　　一、物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展

　　物位測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)上從機(jī)械式儀表向電子式儀表發(fā)展，以及工作方式上由接觸式向非接觸式發(fā)展的階段。

　　物位儀表的分類如圖1所示。

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　　圖1中，前4種測(cè)量技術(shù)都屬于接觸式測(cè)量方法，第5種輻射法為非接觸測(cè)量方法。其中，直視法是指眼睛可以直接觀測(cè)到介質(zhì)容量變化的一類方法;測(cè)力法是指通過被測(cè)介質(zhì)對(duì)指示器或傳感器等目標(biāo)施加外力來測(cè)量的方法;壓力法是由被測(cè)介質(zhì)施加在測(cè)量探頭而產(chǎn)生壓力進(jìn)行測(cè)量的方法;電特性法是利用被測(cè)介質(zhì)的電特性進(jìn)行測(cè)量的方法;輻射法采用電磁頻譜原理技術(shù)。

　　前4種方法需要測(cè)量?jī)x器的全部或一部分部件與被測(cè)介質(zhì)(固體或液體物料)相接觸才能達(dá)到測(cè)量的目的。從長(zhǎng)期來看，物料粘附物及沉積物會(huì)對(duì)這些機(jī)械部件產(chǎn)生附著，當(dāng)物料為腐蝕性或易產(chǎn)生水銹的介質(zhì)時(shí)，對(duì)儀器精度的影響將更加嚴(yán)重。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)物位儀表最基本的要求是高精度和高可靠性，這就需要有應(yīng)用范圍更大、精度更高的技術(shù)出現(xiàn)。

　　二、TOF測(cè)量原理

　　近幾年來，發(fā)展較快的是行程時(shí)間或傳播時(shí)間ToF ( time of flight )測(cè)量原理，又稱回波測(cè)距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時(shí)間來進(jìn)行度量的一種方法。能量波在信號(hào)源與被測(cè)對(duì)象之間傳遞，能量波到達(dá)被測(cè)對(duì)象后被反射并返回到探頭上被接收，屬于非接觸測(cè)距。

　　ToF 測(cè)量技術(shù)可以利用的能量波有機(jī)械波(聲或超聲波)、電磁波(通常為K波段或X波段的微波)和激光(通常為紅外波段的激光)，相應(yīng)的物位計(jì)稱為超聲波物位計(jì)、微波物位計(jì)和激光物位計(jì)。

　　天線發(fā)射器向距離為R被測(cè)量物料發(fā)射能量波，經(jīng)被測(cè)量介質(zhì)反射，由天線的接收器接收。能量波來回所經(jīng)過的時(shí)間用td表示，可得到距離R與時(shí)間td 的關(guān)系為：td=2R/c (l) 式中：c為空氣中能量波的傳播速度，當(dāng)以聲波為能量源時(shí)，c=340m/s;當(dāng)以電磁波為能量源時(shí)，c=3×l08m/s。非接觸測(cè)量方法正是利用式(l)中距離R與時(shí)間td的關(guān)系，以不同的方式通過時(shí)間差td求得距離R的。

　　三、雷達(dá)物位計(jì)分類

　　盡管輻射法物位計(jì)都是采用ToF測(cè)量原理，但所采用的能量波不同時(shí)，信號(hào)的反射機(jī)理及在信號(hào)處理等方面都有很大的不同。以現(xiàn)在常用的超聲波和微波物位計(jì)為例，它們都采用ToF測(cè)量原理，都需要一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)回波信號(hào)接收器，但兩種能量波在頻率范圍、反射方法以及對(duì)于包含距離信號(hào)的反射波的處理上都有比較大的差別。

　　3.1 超聲波物位計(jì)與微波物位計(jì)

　　電磁波的波段非常寬，從3kHz～3000GHz ，微波是指頻率為300MHz～300CHz的電磁波。在物位檢測(cè)中，微波使用的頻段規(guī)定在4～30GHz：之間，典型波段為5.8GHz、10GHz 、24GHz。5.8 GHz 的頻率屬于C波段微波;10GHz的頻率屬于X波段微波;24GHz的頻率屬于K波段微波。

　　聲波是機(jī)械波，頻率范圍為20Hz～20kHz ，因此，當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率高于20kHz或低于20kHz時(shí)，我們便聽不見了。我們把頻率高于20kHz 的聲波稱為“超聲波”。

　　電磁波與聲波產(chǎn)生的原理是不同的，聲波是靠物質(zhì)的振動(dòng)產(chǎn)生的，在真空中不能傳播;而電磁波是靠電子的振蕩產(chǎn)生的，其本身就是一種物質(zhì)，傳播不需要介質(zhì)，能在真空中傳播。這兩種波在通過不同的介質(zhì)時(shí)都會(huì)發(fā)生折射、反射、繞射和散射及吸收等現(xiàn)象，物位計(jì)正是應(yīng)用這種特性來測(cè)量距離的。

　　超聲波物位計(jì)由聲納技術(shù)衍化而來，其安裝方式有頂部安裝和底部安裝兩種。早期的超聲物位計(jì)采用的也是液體導(dǎo)聲，超聲探頭安裝在料罐底部外，超聲波從底部傳入，經(jīng)被測(cè)液體傳播到液面，反射后傳回探頭。超聲波傳播時(shí)間與液位的高低成正比。由于超聲波在各種被測(cè)介質(zhì)中傳播的聲速不同，所以很難做成通用產(chǎn)品;且料罐底部(尤其是液體料罐的底部)安裝探頭的方法在實(shí)用中往往也有困難。因此，在實(shí)際工業(yè)過程中，利用空氣作為導(dǎo)聲介質(zhì)的頂部安裝應(yīng)用越來越廣泛。

　　超聲波物位計(jì)的聲波信號(hào)是在不同聲阻率(聲阻率等于物料密度px聲速。)的界面上反射的。由于空氣和物料的密度差別很大，所以它們的聲阻率相差也很大，聲波在空氣和物料的分界面上就像在鏡面上一樣反射，并由接收器接收回波信號(hào)。但是，由于超聲波是機(jī)械波，在空氣中傳播的波長(zhǎng)小于17mm ，傳播速度受溫度影響較大，如當(dāng)溫度為0℃ 時(shí)，聲速為331.6m/s當(dāng)溫度為20 ℃ 時(shí)，聲速為 344m/s 。因此，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，且在測(cè)量揮發(fā)性液體時(shí)，由于空氣中含有的揮發(fā)組分不同，聲速也不同，也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

　　與超聲波物位計(jì)相比，雷達(dá)物位計(jì)的微波信號(hào)是在不同介電常數(shù)的分界面上反射的。介電常數(shù)是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，以字母ε表示，單位為F/m ，它通常隨溫度和介質(zhì)中傳播的電磁波的頻率變化而變化。介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的束縛能力越強(qiáng);介電常數(shù)越小，則絕緣性愈好。某種電介質(zhì)的介電常數(shù)與真空介電常數(shù)之比εr稱為該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。常見物料的相對(duì)介電常數(shù)如表1所示。

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　　微波以光速傳播，速度幾乎不受介質(zhì)特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2dB/km ?；夭ㄐ盘?hào)強(qiáng)弱很大程度上取決于被測(cè)液面上的反射情況。在被測(cè)液面上的反射率除了取決于被測(cè)物料的面積和形狀外，主要取決于物料的相對(duì)介電常數(shù)εr。相對(duì)介電常數(shù)高，反射率也高，得到的回波強(qiáng)度高;相對(duì)介電常數(shù)低，物料會(huì)吸收部分微波能量，回波強(qiáng)度較低。對(duì)于普及型的雷達(dá)液位計(jì)，通常要求被測(cè)物料相對(duì)介電常數(shù)εr 〉4; 對(duì)于更低介電常數(shù)的物料，要求增設(shè)波導(dǎo)管來增強(qiáng)回波信號(hào)，或選用較復(fù)雜的雷達(dá)，通常測(cè)量下限為εr> 2。對(duì)于測(cè)量介電常數(shù)高或?qū)щ姷奈锪蠒r(shí)，有效量程要下降很多，如20m量程的雷達(dá)物位計(jì)，若用于測(cè)量煤粉，有效量程最多為7m對(duì)于測(cè)量介電常數(shù)低的塑料粒子等，測(cè)量效果也不好。

　　3.2 脈沖與調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)

　　微波物位計(jì)按使用微波的波形可分為脈沖波和調(diào)頻連續(xù)波兩大類。