雷達與超聲波的對比

雷達與超聲波的對比

導波雷達液位測量技術的新發展

總觀工業儀表的發展進程，每種新的測量技術都是為解決工業過程測量中的某些難題而發展起來的，從而提高了測量技術的水平並帶來相應的工業效應。近幾年來，由於雷達液位儀表測量精度高、使用範圍廣而受到廣大技術人員的歡迎。有人認為，雷達液位測量技術是一種全能的液位測量技術，可應用於所有介質的液位測量。果真如此嗎？筆者認為並非如此，雷達液位計有其使用的局限性；而最新出現的導波雷達GWR Guided Wave Rada]液位測量技術則彌補了雷達測量液位中的缺陷，從而具有更廣闊的應用前景。

雷達指通過空間傳播發射和接收電磁波的液位測量儀表，導波雷達則是通過波導體傳導來發射和接收電磁波的液位測量儀表。

用雷達儀表測量液位似乎是完美無缺，它具有以下優點：1、發射與接收天線均不與介質接觸；2、高頻電磁波 信號易於長距離傳送，可測大量程；3、測量不受液麵上部空間氣相條件變化的影響。

雷達通過反射和接收高頻[GHZ]級、電磁能量，並計算電磁波達到液體麵並反射回到接收天線的時間來進行液位測量；與超聲波液位計相比，由於超聲波液位計聲波傳送的固有局限性，雷達液位計性能大大優於超聲波液位計。超聲波液位計聲納所發出的聲波是一種通過大氣傳播的機械波，大氣成分的構成會引起聲速的變化，例如液體的蒸發汽化會改變聲波的傳播速度，從而引起聲波液位測量的誤差。而電磁能量的傳送則沒有這些局限性，它可以在缺少空氣（真空）或具有汽化介質的條件下傳播，並且氣體的波動不影響電磁波的傳播速度。

雷達液位測量儀表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號，當這種信號發射進入空氣中傳播時，能量減弱的非常快，當信號到達液麵並反射回來時，自液麵反射的信號強度[振幅、與液麵的介電常數有直接關係，介電常數非常低的非導電類介質，如氫類液體，反射回來的信號非常小這種被削弱的信號在返回至安裝於罐頂部的接收天線的途中，能量又被進一步削弱，雷達液位計所接收到的返回信號能量小於它所發出信號能量的1%；當液麵出現波動和泡沫時，情況就變的更複雜，它將信號散射脫離傳播途徑或吸收大部分能量，從而使返回到雷達液麵功能，能從大量的雜散波中分辨出真實的液位信號，當用於上述介質條件[則石油產品液位，液麵波動厲害、起泡沫等、和複雜安裝環境情況時，雷達液位儀表製造廠商不得不降低其儀表性能指標或幹脆拒絕在這種場所使用。

為了彌補雷達液位計的這些缺陷，導波雷達液位儀表運用而生，導波雷達的工作原理與常規通過空間傳播電磁波的雷達非常相似，GWR的基礎是電磁波的時域反射性TDR[TIME DO MAIN REFECTORY]多年來TDR一直被用於檢測發現埋地電纜和牆內埋設電纜的斷頭。

測電纜斷頭時，TDR發生器發出的電磁脈衝信號沿電纜傳播，遇到斷頭時，就會產生測量反射脈衝；同時，在接收器中預先設定好的與電纜總長度相應的阻抗變化也引發出一個基本脈衝，將反射脈衝與基本脈衝相比較，可精確測出斷頭的位置。

將該原理用於液位測量時，TDR發生器每秒中產生20萬個能量脈衝並發送入波導體與液體表麵的接觸時，由於波導體在氣體中和液體中的導電性能大不相同，這種波導體導電性的改變使波導體的阻抗發生聚燃變化，從而產生一個液位反射原始脈衝，同時在探頭的頂部具有一個預先設定的阻抗，該阻抗導致一個可靠的基本脈衝 發生，該脈衝又稱為基線反射脈衝。雷達液位計檢查到液位反射原始脈衝，並與基線反射脈衝相比較，計接受天線的信號更加弱小或無信號；另外當儲罐中有混合攪拌器、管道、梯子等障礙物時，這些障礙也會反射電磁波信號，從而產生虛假的液位信號；這就是雷達液位儀表真實的工作過程。

正因為如此，盡管雷達液位儀表的變送環節具有功能完善的微處理器，有較強的信號處理和分辨從而計算出介質的液位高度。高導電性介質[例如水等、液位產生較強的反射脈衝，而低導電性介質[如烴類、產生反射較弱，低導電性介質使得某些電磁波能沿著探頭[波導體、穿過液麵繼續向下傳播，直至完全消散或被一種較高導電性的介質反射回來，這就使我們有可能采用GWR測量兩種液體的界麵[如油/水界麵]等，條件是界麵下的液體介電 常數應遠遠高於界麵上液體的介電常數。

二、導波雷達的優點

完善的液位測量儀表應是與介質無接觸，甚至是對容器無侵入的儀表，且不汙染環境、無副作用、長期可靠、安裝簡便，人們一直在反複地對現有各種測量方法進行篩選，比較其長處和短處，試圖找出一些最好的測量的測量方法以適應石油化工測量對象。導波雷達采用一個波導體[探頭、傳播電磁能量，具有常規通過空間傳播電磁波的雷達液位儀表的全部性能，並具有如下獨特的優點，可很好地用於石油化工設備中烴類及其它介質液位的測量。

1、能耗低。GWR輸出到波導探頭的信號能量非常小，約為常規雷達發射能量[1mW]的10%[約0.1mW]。這是因為波導體為信號至液麵往返傳輸提供一條快捷高效的通道，信號的衰減保持在最小程度，因而可用以測量介電常數非常低的介質液位；另外由於導波雷達耗能小，采用回路供電而不是單獨的交流供電，從而大大節省了安裝費用。

2、由於信號在波導體中傳輸不受液麵波動和儲罐中的障礙物等的影響，因而儀表所接收到的返回信號能量相應較強，約為所發射能量的20%[既0.02mW]，而且返回信號中的幹擾性雜散信號極小，基本對測量信號無影響。

3、介質介電常數的變化對測量性能無明顯影響。導波雷達和常規雷達一樣，采用傳輸時間來測量介質液位，信號自烴類[介電常數2~3]液體表麵或自水[介電常數80]麵反射回傳的時間一樣的，不同的隻是信號幅度[強度]的差別。普通雷達須考慮介質的影響，比較難辯識返回的各種信號，從雜散信號中檢出真正的液位信號，而導波雷達僅需測量電磁波的傳輸時間即可，無需信號的處理和辨別。

4、由於光速電磁波、是恒定的，不需要任何遷移來改變 儀表量程，不需現場標定，僅需現場輸入有關參數即可使用。多台儀表在效驗台上僅需幾分鍾即可組態調校完畢，在組態時，需接上24VDC電源並提供每個儲罐的測量參數。

5、介質密度的變化對測量無影響，介質密度的變化影響浸沒於介質中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導體中的傳播。

6、霧氣和泡沫對測量無影響，由於電磁波不通過空間傳播，因而霧氣不會引起信號的衰減，泡沫也不會對信號進行散射而損失能量。

7、介質在波導體上的沉積和塗汙對液位測量的影響極小。介質在探頭上的塗汙對測量液位的影響可分為兩種：膜狀塗汙和橋接。膜狀塗汙是在液位降低時，高粘液體或輕油漿在探頭上形成的一種覆蓋層。由於這種塗汙在探頭上塗層均勻，因此對測量基本無影響；但橋接性塗汙的形成卻能導致明顯的測量誤差，，當塊狀或條狀介質汙垢粘結於波導體上或橋接於兩個波導體之間時，就會在該點測得虛假液位。導波雷達液位測量技術的進一步發展，將有可能減少或完全消除這種測量誤差。

8、導波雷達液位計的價格基本上同其他常用的液位測量儀表（如浮筒液麵計等）相當，遠遠低於常規交流供電、電磁波在空間傳播的普通雷達液位計。

 

三、導波雷達液位計與其他液位測量儀表的比較

1、雷達儀表的比較。

目前雷達液位儀表有3種：常規的空間傳播式交流供電雷達液位計、新型的空間傳播式24VDC回路供電雷達液麵計和導波雷達液麵計，其性能對比如下：

影響空間傳播式雷達液麵計使用的主要問題是：低介電常數液體介質反射信號弱，信號衰減嚴重，液位波動和泡沫散射引起信號減弱，罐內障礙物反射引起虛假信號，為此就需要發射較強的電磁波信號，並采用功能強的微處理器進行複雜的信號處理。這就使得常規交流供電雷達液位計價格非常昂貴，但仍難以較好的解決在上述條件下的液位測量問題。

當采用24VDC回路供電時，其微處理器能力降低，發射信號強度減小，使得反射信號能量更少，其性能大大低於常規雷達液麵計，在上述條件下測量液位的效果更差。

24VDC[二線製]回路供電空間傳播式雷達液位計的特點是硬件成本比常規雷達低得多，安裝成本底。由於由於采用回路供電，24V DC電源在4 MA電源時所供給液位計本身使用能量低，為此必須首先大大降低天線發射的信號能量，進而要采用低能量的微處理器來處理信號，並且要在較長的周期內對返回信號取平均值，以比較準確地計算液位。這就使得響應時間和測量周期變長，測量精度降低，明顯地限製了雷達測量液位的優越性，降低了儀表的性能，但其價格相應較低，適用於介電常數較高的液體，測量條件較好[波動小、無泡沫、無障礙物]的場所。

導波雷達也是采用24V DC回路供電[二線製]，發射信號能量小，但由於信號沿波導體傳播，信號能量損失小，反射返回並接受到的信號比常規交流供電的雷達還強，且雜散信號非常小儀表性能和測量精度與常規220V AC 交流供電空間傳播的雷達相同，但其安裝成本和運行成本低，測量不受介電常數的限製，在液位波動及儲罐內有障礙物的情況下仍不影響測量，這就使得它的用途更加廣泛。

導波雷達與其他液位儀表的比較。液位測量技術發展到今日，已出現許多種成熟可靠的液位測量儀表，以其不同的性能和特定的適用範圍在不同條件的液位測量中發揮著重要的作用。壓力/壓差測量液位法、射頻導納/電容液位計、超聲波液位計和扭管式浮筒液位計等都已在工業上有了數十年的成功使用經驗，但導波雷達液位計以其具有明顯的使用優點及性能更加引起廣大技術人員的注意。

四、結論

采用導波雷達，優於采用昂貴的常規雷達液麵計。導波雷達液位計在許多複雜條件下使用時，綜合性能優於其他常規液位測量技術。導波雷達液位計不受工藝複雜條件的限製，如低介電常數和變介電常數（會影響射頻導納/電容式液麵計工作）、變介質密度[影響浮筒和壓力/差壓式液麵計工作]、氣化、泡沫/液麵波動[影響超聲波液麵計工作]等的影響，可很好地解決這些介質條件下的液位測量。

對於一般介質條件，各種液位測量儀表均可采用，但采用24V DC回路供電雷達和導波雷達比采用浮筒液位計和交流供電雷達成本要低得多。

我們在選用液位儀表時，應區別不同介質工作條件及過程要求，選用成本低、精度高、價格適中、性能可靠的測量儀表。