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导波雷达液位测量技术的新发展探究

发布时间:2018/01/09 点击量:

总观工业仪表的发展进程,每种新的测量技术都是为解决工业过程测量中的某些难题而发展起来的,从而提高了测量技术的水平并带来相应的工业效应。近几年来,由于雷达液位仪表测量精度高、使用范围广而受到广大技术人员的欢迎。有人认为,雷达液位测量技术是一种全能的液位测量技术,可应用于所有介质的液位测量。果真如此吗?笔者认为并非如此,雷达液位计有其使用的局限性;而最新出现的导波雷达GWR Guided Wave Rada]液位测量技术则弥补了雷达测量液位中的缺陷,从而具有更广阔的应用前景。
  一、雷达与导波雷达
  顾名思义,雷达指通过空间传播发射和接收电磁波的液位测量仪表,导波雷达则是通过波导体传导来发射和接收电磁波的液位测量仪表。
  用雷达仪表测量液位似乎是完美无缺,它具有以下优点:1、发射与接收天线均不与介质接触;2、高频电磁波信号易于长距离传送,可侧大量程;3、测量不受液面上部空间气相条件变化的影响。许多雷达液位仪表制造商认为,对该仪表惟一的挑战是需要将价格降到可与其它液位仪表相匹敌的水平即可全面推广应用。但随着雷达仪表越来越多的使用,其缺点也越来越明显。
  雷达通过反射和接收高频[GHZ]级、电磁能量,并计算电磁波达到液体面并反射回到接收天线的时间来进行液位测量;与超声波液位计相比,由于超声波液位计声波传送的固有局限性,雷达液位计性能大大优于超声波液位计。超声波液位计声纳所发出的声波是一种通过大气传播的机械波,大气成分的构成会引起声速的变化,例如液体的蒸发汽化会改变声波的传播速度,从而引起声波液位测量的误差。而电磁能量的传送则没有这些局限性,它可以在缺少空气(真空)或具有汽化介质的条件下传播,并且气体的波动不影响电磁波的传播速度。
  雷达液位测量仪表天线的辐射能约为1mW,是一种微弱的信号,当这种信号发射进入空气中传播时,能量减弱的非常快,当信号到达液面并反射回来时,自液面反射的信号强度[振幅、与液面的介电常数有直接关系,介电常数非常低的非导电类介质,如氢类液体,反射回来的信号非常小这种被削弱的信号在返回至安装于罐顶部的接收天线的途中,能量又被进一步削弱,雷达液位计所接收到的返回信号能量小于它所发出信号能量的1%;当液面出现波动和泡沫时,情况就变的更复杂,它将信号散射脱离传播途径或吸收大部分能量,从而使返回到雷达液面功能,能从大量的杂散波中分辨出真实的液位信号,当用于上述介质条件,则石油产品液位,液面波动厉害、起泡沫等、和复杂安装环境情况时,雷达液位仪表制造厂商不得不降低其仪表性能指标或干脆拒绝在这种场所使用。
  为了弥补雷达液位计的这些缺陷,导波雷达液位仪表运用而生,导波雷达的工作原理与常规通过空间传播电磁波的雷达非常相似,
GWR的基础是电磁波的时域反射性TDR[TIME DO MAIN REFECTORY]多年来TDR一直被用于检测发现埋地电缆和墙内埋设电缆的断头。
  测电缆断头时,TDR发生器发出的电磁脉冲信号沿电缆传播,遇到断头时,就会产生测量反射脉冲;同时,在接收器中预先设定好的与电缆总长度相应的阻抗变化也引发出一个基本脉冲,将反射脉冲与基本脉冲相比较,可精确测出断头的位置。
将该原理用于液位测量时,TDR发生器每秒中产生20万个能量脉冲并发送入波导体与液体表面的接触时,由于波导体在气体中和液体中的导电性能大不相同,这种波导体导电性的改变使波导体的阻抗发生聚燃变化,从而产生一个液位反射原始脉脉冲,同时在探头的顶部具有一个预先设定的阻抗,该阻抗导致一个可靠的基本脉冲发生,该脉冲又称为基线反射脉冲。雷达液位计检查到液位反射原始脉冲,并与基线反射脉冲相比较,计接受天线的信号更加弱小或无信号;另外当储罐中有混合搅拌器、管道、梯子等障碍物时,这些障碍也会反射电磁波信号,从而产生虚假的液位信号;这就是雷达液位仪表真实的工作过程。
  正因为如此,尽管雷达液位仪表的变送环节具有功能完善的微处理器,有较强的信号处理和分辨从而计算出介质的液位高度。高导电性介质[例如水等、液位产生较强的反射脉冲,而低导电性介质[如烃类、产生反射较弱,低导电性介质使得某些电磁波能沿着探头[波导体、穿过液面继续向下传播,直至完全消散或被一种较高导电性的介质反射回来,这就使我们有可能采用GWR测量两种液体的界面[如油/水界面]等,条件是界面下的液体介电常数应远远高于界面上液体的介电常数。

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