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技術知識

物位計測量技術難點解決方案

時間:2017-11-20 09:37 作者:液位計厂家 點擊:

 一、物位測量技術發展

  物位測量技術經曆了結構上從機械式儀表向電子式儀表發展,以及工作方式上由接觸式向非接觸式發展的階段。

  物位儀表的分類如圖1所示。

物位仪表的分类

  圖1中,前4種測量技術都屬于接觸式測量方法,第5種輻射法爲非接觸測量方法。其中,直視法是指眼睛可以直接觀測到介質容量變化的一類方法;測力法是指通過被測介質對指示器或傳感器等目標施加外力來測量的方法;壓力法是由被測介質施加在測量探頭而産生壓力進行測量的方法;電特性法是利用被測介質的電特性進行測量的方法;輻射法采用電磁頻譜原理技術。

  前4種方法需要測量儀器的全部或一部分部件與被測介質(固體或液體物料)相接觸才能達到測量的目的。從長期來看,物料粘附物及沈積物會對這些機械部件産生附著,當物料爲腐蝕性或易産生水鏽的介質時,對儀器精度的影響將更加嚴重。在工業生産中,對物位儀表最基本的要求是高精度和高可靠性,這就需要有應用範圍更大、精度更高的技術出現。

  二、TOF測量原理

  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聲波物位計、微波物位計和激光物位計。

  天線发射器向距离为R被测量物料发射能量波,经被测量介质反射,由天線的接收器接收。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、雷達物位計分類

  盡管輻射法物位計都是采用ToF測量原理,但所采用的能量波不同時,信號的反射機理及在信號處理等方面都有很大的不同。以現在常用的超聲波和微波物位計爲例,它們都采用ToF測量原理,都需要一個信號發生器和一個回波信號接收器,但兩種能量波在頻率範圍、反射方法以及對于包含距離信號的反射波的處理上都有比較大的差別。

  3.1 超聲波物位計与微波物位计

  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”.

電磁波與聲波産生的原理是不同的,聲波是靠物質的振動産生的,在真空中不能傳播;而電磁波是靠電子的振蕩産生的,其本身就是一種物質,傳播不需要介質,能在真空中傳播。這兩種波在通過不同的介質時都會發生折射、反射、繞射和散射及吸收等現象,物位計正是應用這種特性來測量距離的。

  超聲波物位計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Av在线;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。

  超聲波物位計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。

  与超聲波物位計相比,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計,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

  微波物位計按使用微波的波形可分爲脈沖波和調頻連續波兩大類。

  3.2.1 脉冲雷达物位计

  脉冲雷达的发射原理比较简单,即雷达向距离为 R 的目标发送一个高频脉冲,微波遇到介质后被反射回来,测得发送与接收的延迟时间,利用式(1)即可求得距离。但是,由于其靠时间来计算数值,因此,需要对事件精确到几+皮秒(1ps = 10-12s) .

  假设记录时间的芯片最高精度为 50Ps ,按式(l) 可得到其测量误差距离精度为:△R= △t×c=15mm, 即脉冲雷达如果仅靠时间来处理数据,其最高精度为15mm .所以,早期脉冲雷达大都采用时间拓展的方法来进行时间的准确测量与记录,外加多次测量求平均的办法。但采用拓展时间以及平均法求值,其最终精度要达到 5~10mm具有一定的難度。

  3.2.2 调频连续波雷达物位计

  調頻連續波(FMCW)雷達的原理爲發送具有一定帶寬、頻率線性變化的連續信號,再對接收到的連續信號進行快速傅裏葉變換,通過發送與接收信號的頻率差來計算兩個信號的時間差,最後與脈沖波雷達物位計一樣,由時間差得到對應的距離值。FMCW雷達能夠獲取很高的精度,其精度主要取決于壓控振蕩器的線性度和溫漂。

  FMcw 雷达通过发射频率调制的连续波信号,从回波信号中提取目标距离信息。FMcw分为线性调频和非线性调频(如正弦波调频)两种。使用非线性调频方式时,每个目标产生的差拍频率不唯一,一般只适用于单目标的场合,如雷达高度计等;线性调频方式适合于用FFT算法测量频率,应用最广。这种方式使每个目标产生的差拍信号都是单一频率,但其对线性调频的线性度要求很高,比较常用的调制波形是三角波和锯齿波,物位仪表常用锯齿波高频方式。FMCW 雷达发射和接收信号的原理如图2所示。

FMCW 雷达发射和接收信号的原理

图2中,实线为雷达天線发送信号ft;虚线为雷达接收信号fr;B为信号的带宽。发射信号的调频周期T要远大于目标最大回波时延td,即信号由天線发送经物料反射,再由天線接收所经的时间td比信号期T要小得多。发送信号和接收信号由于时延引起频率的变换它们的频率差就是差频信号,可用fif表示。显然差额信号fif的大小正比于天線与目标间的距离R,即:

  式中:c爲光速,3×108m/s;T爲信號周期,B爲信號帶寬,均爲已知參數。獲得差頻信號fif的值最簡單的方法是利用傅裏葉變換方法,通過頻譜分析求得。

  与脉冲雷达相比,调频雷达抗干扰能力强,这使得它能够运用于更多的环境,但其价格昂贵雷达的2~2.5倍左右。FMCW 雷达发射的是连续波脉冲雷达的(峰值)功率小很多。发射功率小具有以下优点:① 電源电压大大降低,这对于用于油舱内液位测量系统的安全性非常重要;② 发射系统便于用固态器件实现,从而使得发射系统尺寸大大减小,可靠性提高;③ FMCW 雷达极宽的信号带宽使其具有很高的距离分辨率和距离测量精度,以及较强的抗干扰性。

  四、雷達料位計測量技術難點

  由于固态物料(如沙石、煤炭等)的料面都有一定的安息角,因此固态料面的测量基本上是利用波在粗糙表面的漫反射。形成漫反射的条件近似于:颗粒直径〉1/6波长。则波长λ与频率f的关系为: c=λf (3)可以算出它的波长为8.6mm , 对颗粒直径为2mm 以上的物料都可形成良好的漫反射;而当c为光速3×l08m/s,采用X波段频率为5.8GHz或6GHz 的微波物位计时,由式(3)可得波长约为52mm ,对于粒径较小的颗粒状物位,漫反射效果差,回波信号干扰严重。为改善测量性能,可提高发射信号的频率,采用K波段(24GHz或26GHz),从而得到较好的回波信号。从雷达料位计的测量原理可知,雷达料位计是通过处理雷达波从探头发射到介质表面,然后返回到探头的时间来测量料位的。反射信号中混合有许多干扰信号,因此,对真实回波的处理和对各种虚假回波的识别技术就成为雷达料位计能否准确测量的关键因素。由于液面波动和随机噪声等因素的影响,检测信号中必然混有大量噪声 ,为了提高检测的准确度,必须对检测信号进行处理,尽可能消除噪声。

  调频连续波雷达必须在发射的同时进行接收,如果采用同一天線进行发射和接收,必须有效地防止发射信号直接泄漏到接收系统,因此,可采用环行器隔离发射接收信号。为了保证测量精度的要求,还必须采取有效的措施保证发射信号频率的稳定度和线性度。

  五、結束語

  近年來,微電子技術的滲入大大促進了新型物位測量技術的發展,新的測量技術促使物位測量儀表Av在线結構産生了很大變化。電池供電及無線雷達式物位儀表也開始在市場上出現。所有這些技術上取得的進步以及不斷下降的價格正推動著雷達式物位儀表的不斷增長。


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