物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况.docVIP

物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况 一、?TOF物位测量技术 1．?原理 TOF（Time of Flight行程时间或传播时间）测量原理，又称回波测距原理。是非接触测距的一种方法，当前广泛应用于物位测量中。其原理是：安装在料仓顶部的探头向仓内发射能量波，当能量波传播到被测物料面上时，在物料面上反射并返回到探头上被接收。波的来回传播时间就是距离的量度，并可以据之计算物位。 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），光波（通常为红外波段的激光）。相应的物位计称为：超声物位计、微波物位计及激光物位计。 2．?超声测量物位 利用超声来测量物位技术发展已很成熟，在工业工程中应用越来越广，液体、浆体、固态物料都能应用，应用的行业有：冶金、电力、矿山、煤炭、水和废水、化工等行业，已成为物位测量应用中的一种重要手段。 近年来在技术上没有太大发展，近年推出的新产品主要在：输出信号上增加现场总线接口（常用的有Hart, Profibus, F.F.等）；仪表的防护等级达到IP67/68，可以工作于更恶劣的环境；连接电缆有的可以不用专用高频同轴电缆，用普通双绞屏蔽线也可达360m长；价格也逐步走低。 固态物料（矿石、煤、谷类等）物位是超声波测量有优势的领域，应用量很大。水和废水处理是另一个优势领域，主要是一体形超声液位计。这两个领域，近几年内，仍应是超声物位计的主要市场。因为应用已成熟，性能稳定可靠，而价格比微波液位计便宜。?? 3．?微波测量物位 3.1?概述 利用微波来检测物位是近年来发展最快的一种物位测量技术。俗称雷达物位计，因为它是雷达（RADAR无线电检测与测距）技术衍化而来，正确的名称应是“微波物位计”。 和超声波（机械波）相比，微波（电磁波）的传播不依赖介质，故可使用于有挥发、高温及压力的工况；传播损耗小，量程大小对价格的影响不大；波速不受环境影响，故测量精度较超声物位计高，一般产品可达0.1％，精密级产品可达1mm绝对精度。它可以解决许多超声波技术难以胜任的工况。故应用发展很快，已成为物位测量中一种重要手段。 微波在空气中传播速度约为3×108m/s，与超声速度340m/s相比高了6个数量级，过程应用中物位量程一般为几米～几十米。传播时间约为数十毫微秒数量级，要求测时精度约为微微秒数量级。 3.2?技术特点 微波物位计按结构可分为以下二类。 3.2.1?天线式（非接触式） 微波通过天线发射与接收，为非接触测量模式。天线可以有各种类型：绝缘棒、园椎喇叭、平面阵列、抛物面等。绝缘棒天线通常用聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料制成，耐腐蚀性能较好，可用于强酸、碱等腐蚀性介质。但微波发射角较大（约30°），并且边瓣较多，对于罐内结构较复杂的工况，干扰回波会较多，有时调试较复杂。 椎形喇叭天线的发射角与喇叭直径及频率有关（见表1）。喇叭直径越大，发射角越小。抛物面天线发射角最小，约7°，但天线尺寸更大，直径达Φ454，开孔尺寸要＞500mm，安装使用不大方便。发射角小，微波能量集中，可测较远距离（或较低介电常数的物料，也能有较强回波），由于波束范围小，干扰回波少，可以测量较狭的料仓。平面天线采用平面阵列技术（PAT），即多点发射源，与单点发射源相比，由于其测量基于一个平面，而不是一个确定的点，配合相应电子线路，可使微波物位计的测量精确度达±1mm，可用于储罐精密计量，主要用于计量级微波物位计。 表1 锥形喇叭天线尺寸与波束角关系 微波频率 5.8GHz X波段 26GHz K波段 天线尺寸 Φ100 4″ Φ150 6″ Φ200 8″ Φ250 10″ Φ40 11/2″ Φ50 2″ Φ80 3″ Φ100 4″ 波束角 32° 23° 19° 15° 23° 18° 10° 8° 3.2.2?导波式（TDR时域反射原理） 这种结构采用接触式的测量方法，微波物位计带有金属棒或柔性缆的导波杆，安装时从罐顶直达罐底，工作时，微波通过导波杆外侧向下传播，在碰到物料面时由于介电常数εr与空气不同，就会产生反射，并被接收。根据波的行程时间即可测出物位。这种方式虽然失去了非接触的优点，但它可以测量介电常数较低的物料（εr≥1.2），如液化气等，也可以测量粉状或颗粒状物料物位。但是对于会在导波杆上积料的场合，应用会有问题，在大量程固态物料应用时，导波缆有时会被下降物料拉断。 微波物位计按使用微波的波形分类，可分为：调频连续波（FMCW）、脉冲波及调频脉冲波三类。 早期的微波物位计都采用调频连续波方式，虽然其线路结构较复杂，成本较高，但因为微波的行程时间仅为毫微秒数量级，如直接测时间差，测时精度要达微微秒数量级。在当时技术条件下难以低成本实现，调频连续波方式是测发射波与反射波的频差，易于实现。90年代后期