物位计测量技术分析及应用研究

　　引言

　　调频连续波( frequency modulated contin - uous wave，FMCW)雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制系统，由于它具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率等优点，近年来受到了人们的广泛关注。

　　一、物位测量技术发展

　　物位测量技术经历了结构上从机械式仪表向电子式仪表发展，以及工作方式上由接触式向非接触式发展的阶段。

　　物位仪表的分类如图1所示。

　　图1中，前4种测量技术都属于接触式测量方法，第5种辐射法为非接触测量方法。其中，直视法是指眼睛可以直接观测到介质容量变化的一类方法;测力法是指通过被测介质对指示器或传感器等目标施加外力来测量的方法;压力法是由被测介质施加在测量探头而产生压力进行测量的方法;电特性法是利用被测介质的电特性进行测量的方法;辐射法采用电磁频谱原理技术。

　　前4种方法需要测量仪器的全部或一部分部件与被测介质(固体或液体物料)相接触才能达到测量的目的。从长期来看，物料粘附物及沉积物会对这些机械部件产生附着，当物料为腐蚀性或易产生水锈的介质时，对仪器精度的影响将更加严重。在工业生产中，对物位仪表最基本的要求是高精度和高可靠性，这就需要有应用范围更大、精度更高的技术出现。

　　二、TOF测量原理

　　近几年来，发展较快的是行程时间或传播时间ToF ( time of flight )测量原理，又称回波测距原理。它是利用能量波在空间中的传播时间来进行度量的一种方法。能量波在信号源与被测对象之间传递，能量波到达被测对象后被反射并返回到探头上被接收，属于非接触测距。

　　ToF 测量技术可以利用的能量波有机械波(声或超声波)、电磁波(通常为K波段或X波段的微波)和激光(通常为红外波段的激光)，相应的物位计称为超声波物位计、微波物位计和激光物位计。

　　天线发射器向距离为R被测量物料发射能量波，经被测量介质反射，由天线的接收器接收。能量波来回所经过的时间用td表示，可得到距离R与时间td 的关系为：td=2R/c (l) 式中：c为空气中能量波的传播速度，当以声波为能量源时，c=340m/s;当以电磁波为能量源时，c=3×l08m/s。非接触测量方法正是利用式(l)中距离R与时间td的关系，以不同的方式通过时间差td求得距离R的。

　　三、雷达物位计分类

　　尽管辐射法物位计都是采用ToF测量原理，但所采用的能量波不同时，信号的反射机理及在信号处理等方面都有很大的不同。以现在常用的超声波和微波物位计为例，它们都采用ToF测量原理，都需要一个信号发生器和一个回波信号接收器，但两种能量波在频率范围、反射方法以及对于包含距离信号的反射波的处理上都有比较大的差别。

　　3.1 超声波物位计与微波物位计

　　电磁波的波段非常宽，从3kHz～3000GHz ，微波是指频率为300MHz～300CHz的电磁波。在物位检测中，微波使用的频段规定在4～30GHz：之间，典型波段为5.8GHz、10GHz 、24GHz。5.8 GHz 的频率属于C波段微波;10GHz的频率属于X波段微波;24GHz的频率属于K波段微波。

　　声波是机械波，频率范围为20Hz～20kHz ，因此，当声波的振动频率高于20kHz或低于20kHz时，我们便听不见了。我们把频率高于20kHz 的声波称为“超声波”。

　　电磁波与声波产生的原理是不同的，声波是靠物质的振动产生的，在真空中不能传播;而电磁波是靠电子的振荡产生的，其本身就是一种物质，传播不需要介质，能在真空中传播。这两种波在通过不同的介质时都会发生折射、反射、绕射和散射及吸收等现象，物位计正是应用这种特性来测量距离的。

　　超声波物位计由声纳技术衍化而来，其安装方式有顶部安装和底部安装两种。早期的超声物位计采用的也是液体导声，超声探头安装在料罐底部外，超声波从底部传入，经被测液体传播到液面，反射后传回探头。超声波传播时间与液位的高低成正比。由于超声波在各种被测介质中传播的声速不同，所以很难做成通用产品;且料罐底部(尤其是液体料罐的底部)安装探头的方法在实用中往往也有困难。因此，在实际工业过程中，利用空气作为导声介质的顶部安装应用越来越广泛。

　　超声波物位计的声波信号是在不同声阻率(声阻率等于物料密度px声速。)的界面上反射的。由于空气和物料的密度差别很大，所以它们的声阻率相差也很大，声波在空气和物料的分界面上就像在镜面上一样反射，并由接收器接收回波信号。但是，由于超声波是机械波，在空气中传播的波长小于17mm ，传播速度受温度影响较大，如当温度为0℃ 时，声速为331.6m/s当温度为20 ℃ 时，声速为 344m/s 。因此，必须进行温度补偿，且在测量挥发性液体时，由于空气中含有的挥发组分不同，声速也不同，也会产生较大的误差。

　　与超声波物位计相比，雷达物位计的微波信号是在不同介电常数的分界面上反射的。介电常数是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为F/m ，它通常随温度和介质中传播的电磁波的频率变化而变化。介电常数越大，对电荷的束缚能力越强;介电常数越小，则绝缘性愈好。某种电介质的介电常数与真空介电常数之比εr称为该电介质的相对介电常数。常见物料的相对介电常数如表1所示。

　　微波以光速传播，速度几乎不受介质特性的影响，传播衰减也很小，约0.2dB/km 。回波信号强弱很大程度上取决于被测液面上的反射情况。在被测液面上的反射率除了取决于被测物料的面积和形状外，主要取决于物料的相对介电常数εr。相对介电常数高，反射率也高，得到的回波强度高;相对介电常数低，物料会吸收部分微波能量，回波强度较低。对于普及型的雷达液位计，通常要求被测物料相对介电常数εr 〉4; 对于更低介电常数的物料，要求增设波导管来增强回波信号，或选用较复杂的雷达，通常测量下限为εr> 2。对于测量介电常数高或导电的物料时，有效量程要下降很多，如20m量程的雷达物位计，若用于测量煤粉，有效量程最多为7m对于测量介电常数低的塑料粒子等，测量效果也不好。

　　3.2 脉冲与调频连续波雷达物位计

　　微波物位计按使用微波的波形可分为脉冲波和调频连续波两大类。