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超聲波物位計

傳感器發(fā)出的超聲波碰到被測介質(zhì)被反射，反射回波的質(zhì)量反映了物位計應(yīng)用效果?；夭ㄙ|(zhì)量定義為zui小回波幅度（在zui惡劣條件下回波幅度）比zui大噪聲幅度（虛假回波、多徑反射回波等的幅度）?；夭ㄙ|(zhì)量數(shù)值越大，物位計應(yīng)用效果越好。

　　超聲波物位計工作頻率及測量性能：傳感器高頻（40-70KHz）工作時，傳感器的尺寸小，盲區(qū)小，方向性好，精度高，但其聲波衰減快，傳播介質(zhì)（空氣）波動時穿透性差，測距較小。傳感器低頻（10-20KHz）工作時，傳感器尺寸大，盲區(qū)大，方向性不好，精度低，其優(yōu)勢是聲波衰減慢，傳播介質(zhì)（空氣）波動時穿透性較好，測距稍遠(yuǎn)。

　　超聲波的回波強(qiáng)度主要受以下兩個因素影響：

　　1.傳播介質(zhì)越穩(wěn)定越有利于傳播。

　　超聲波是機(jī)械波。機(jī)械波在傳播過程中會受到傳播介質(zhì)穩(wěn)定程度的影響。例如：有一池塘水，當(dāng)風(fēng)平浪靜時， 往池塘中扔一石子就可看到水波紋，當(dāng)大風(fēng)使池塘水起波浪時，往池塘中扔很大的石頭都難看到水波紋。引起空氣波動因素很多，如：粉塵，氣浪，蒸汽，料流等都會引起空氣波動，降低回波質(zhì)量，影響測量效果。當(dāng)粉塵，氣浪等現(xiàn)象嚴(yán)重時，建議用低頻超聲波物位計來測量。

　　2.被測介質(zhì)表面越平整，聲阻抗越大（越硬）越有利于反射回波。

　　在固體測量時，被測表面都是不平的，有一定的安息角。在這種條件下的反射波是漫反射波。由于反射與波長有關(guān)，當(dāng)反射面的線度可與波長相比時或更大時，才能發(fā)生反射。顯然，工作頻率越高，其波長越小，對于較小的物料，更易于發(fā)生漫反射。例如，頻率為10KHz的機(jī)械波在空氣中的波長是34mm，大多數(shù)情況下，物料的線度都不會有這么大。此外，低頻工作時，發(fā)射波的開角大，回波就會很寬。這時測得的數(shù)據(jù)也就不準(zhǔn)了，有時會差幾百毫米甚至1米或更多。因此，測量顆粒較小的固體料位，建議使用高頻超聲波物位計。

　　綜上述，考慮現(xiàn)場工況時，應(yīng)特別注意兩個方面：換能器到被測介質(zhì)間的空氣狀態(tài)和被測介質(zhì)的表面狀態(tài)。

　　超聲波物位計的選擇：

　　1.換能器

　　生產(chǎn)商給出的zui大量程一般是在實驗室條件下才能達(dá)到。實際應(yīng)用時，選擇量程時，要留有余量。應(yīng)確保測量距離為儀表zui大量程的0.3-0.5倍。有應(yīng)用案例。

　　2.控制表

　　應(yīng)選擇有回波顯示功能的控制表。由于物位測量工況的不確定性，物位計的工作性能僅用數(shù)字表示是不夠的?；夭@示是將換能器到被測介質(zhì)之間全過程的回波顯示出來。盲區(qū)附近的波形狀況，真實回波、虛假回波以及雜散噪聲的幅度、寬度以及信噪比等有關(guān)測量性能的因素通過回波曲線的形式全面反映出來，使用戶做到一目了然，心中有數(shù)。

　　一臺好的超聲波物位計應(yīng)具備的性能：頻率高、發(fā)射波開角?。ǚ较蛐院茫?，換能器諧振好（盲區(qū)?。瑩Q能器要起振快，剎車快，諧振頻率準(zhǔn)。全量程回波處理動態(tài)范圍大（100-120dB），回波圖形顯示。在多虛假回波的工況下，回波波形不斷變化時，物位計應(yīng)能準(zhǔn)確地捕獲真實回波。因此，物位計的回波　處理軟件應(yīng)具有良好的算法（是一種物位測量應(yīng)用經(jīng)驗積累的總和）。

　　超聲波物位計目前市場價值：由于雷達(dá)技術(shù)的普及和發(fā)展以及雷達(dá)的技術(shù)特點，在物位測量中，超聲波物位計有被雷達(dá)物位計取代的趨勢。綜合性價比分析，在液位測量方面，超聲波物位計還有市場。

雷達(dá)物位計

　　非接觸物位測量中，雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用近年來獲得快速發(fā)展。超聲波物位計中換能器是眼睛，而雷達(dá)物位計中高頻頭和天線是眼睛，回波處理是物位計的大腦。雷達(dá)物位計繼承了超聲波物位計的回波處理技術(shù)。

　　雷達(dá)物位計發(fā)出的電磁波碰到被測介質(zhì)被反射，反射回波的質(zhì)量反映了物位計應(yīng)用效果?；夭ㄙ|(zhì)量定義為zui小回波幅度（在zui惡劣條件下回波幅度）比zui大噪聲幅度（虛假回波、多徑反射波等的幅度）?；夭ㄙ|(zhì)量數(shù)值越大，物位計應(yīng)用效果越好?！?

　　回波強(qiáng)度主要受以下因素影響

　　傳播介質(zhì)介電常數(shù)越穩(wěn)定越有利于傳播。雷達(dá)波是電磁波，電磁波在傳播過程中不受傳播介質(zhì)穩(wěn)定程度的影響，只與其介電常數(shù)有關(guān)。這是雷達(dá)技術(shù)與超聲波技術(shù)的重大區(qū)別。

　　被測介質(zhì)表面越平整，其介電常數(shù)越大越有利于回波反射。

　　所以考慮現(xiàn)場工況時，應(yīng)特別注意這兩個方面：（1）天線到被測介質(zhì)間空氣介電常數(shù)的分布（2）被測介質(zhì)的表面狀態(tài)及其介電常數(shù)。

　　雷達(dá)物位計的優(yōu)點是：不受空氣波動影響，隨距離衰減小，穿透力強(qiáng)。

　　雷達(dá)的局限性：1）影響雷達(dá)的性能是介電常數(shù)，理論上在真空中雷達(dá)衰減極小，當(dāng)空氣中存在對雷達(dá)衰減物質(zhì)，例如：含高介電性的粉塵粉末（石墨，鐵合金等），水蒸氣很大，測量距離和效果要受影響。2）被測介質(zhì)的揮發(fā)氣體會在天線上聚集，水蒸汽會在天線上聚結(jié)，此時，會影響雷達(dá)波發(fā)射，嚴(yán)重時雷達(dá)波不能發(fā)出。3）被測介質(zhì)的介電常數(shù)不能太小。4）盡管溫度和壓力對雷達(dá)影響極小，但雷達(dá)天線是由材料做成，雷達(dá)可適應(yīng)溫度和壓力的范圍與使用的材料和密封結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　雷達(dá)物位計目前已成為市場上的主流產(chǎn)品，而低頻率雷達(dá)物位計盡管具有價格相對低廉的優(yōu)點，但在主要應(yīng)用領(lǐng)域中，屬于逐漸被淘汰的產(chǎn)品。從超聲波物位計的應(yīng)用中得知，要獲得比較好的回波，換能器工作頻率大約40KHz，波長大約9mm，這時發(fā)射波的開角為7°-8°。工作頻率越高，其開角越小，但其量程較小。與超聲波類比，雷達(dá)物位計要獲得上述效果的回波，其工作頻率應(yīng)為26GHz，此時，其波長為11mm。當(dāng)用口徑為100mm的喇叭時，可獲得7°-8°開角的發(fā)射波。若雷達(dá)工作頻率是6GHz，則相當(dāng)于超聲波的工作頻率為10KHz。而工作頻率為10kHz的超聲波物位計在物位測量中各項指標(biāo)都很不理想，特別不適于固體料位的測量。與低頻率雷達(dá)相比，高頻雷達(dá)有以下優(yōu)點：

　　1）高頻雷達(dá)物位計（主要指26GHz和24GHz）具有能量高，波束角?。ㄒ话?Phi;95的喇叭天線的波束角為8o，而6GHz低頻脈沖雷達(dá)的喇叭天線直徑為Φ246時，波束角為15o），天線尺寸小，精度高等優(yōu)點。

　　2）26GHz雷達(dá)波長11mm，6GHz雷達(dá)波長50mm，雷達(dá)測量散裝料位時，雷達(dá)波反射主要來自料面的漫反射，漫反射的強(qiáng)度與物料大小成正比，與波長成反比，而大部份散裝料直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50mm，這就是為什么目前26GHz雷達(dá)是散裝料物位測量的*選擇。

　　3）在一些直徑小高度矮的小罐應(yīng)用中， 6GHz雷達(dá)天線長（300-400mm）無形中增大了盲區(qū)（大約600mm），由于6GHz雷達(dá)方向性差（開角大）在小罐中會產(chǎn)生多徑反射；26GHz雷達(dá)頻率高頻，天線短，方向性好，克服了6GHz雷達(dá)的缺點，適用于小罐測量。

　　4）由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，隨著時間推移，雷達(dá)天線會堆積污物、水汽等，26GHz雷達(dá)天線小，加天線罩可大大改善污物、水汽影響；6GHz雷達(dá)天線大，加天線罩很困難。且儀表較沉重，清理困難。

　　5）由于26GHz雷達(dá)方向性好，很多惡劣工況，可通過簡單隔離，將雷達(dá)裝在容器外進(jìn)行測量。

　　目前，26GHz雷達(dá)物位計的價格已與6GHz雷達(dá)物位計價格相當(dāng)，這更促進(jìn)了26GHz雷達(dá)物位計的應(yīng)用。 可以預(yù)見，6GHz雷達(dá)物位計*會大大降低。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們期待更高頻率（如：90GHz）、更小開角（如：2°，3°）、更小體積的雷達(dá)物位計的面世。我們將在此領(lǐng)域中不懈地努力，將雷達(dá)物位測量做到*。

　　導(dǎo)波雷達(dá)物位計——非接觸雷達(dá)物位測量的補(bǔ)充

　　導(dǎo)波雷達(dá)物位計發(fā)射脈沖電磁場，以導(dǎo)波纜為中心100mm為半徑，沿纜向前傳播，遇介質(zhì)返回。除有非接觸雷達(dá)的特點以外，導(dǎo)波雷達(dá)方向性好，頻率低（500M-1GHz）穿透性好。缺點是顯然的，尤其在固體測量中，調(diào)試維修都不方便，經(jīng)常會磨損，甚至斷纜?？衫脤?dǎo)波雷達(dá)物位計低頻的穿透性實現(xiàn)某些特殊應(yīng)用。如：油水界面；以及利用纜的末端反射測量介電常數(shù)非常小的粉末（除塵粉倉）粉位測量等。

　　在高溫、高壓工況條件下，導(dǎo)波雷達(dá)物位計與脈沖（非接觸）雷達(dá)物位計相比更具優(yōu)勢。脈沖雷達(dá)天線由不銹鋼和PTFE構(gòu)成，而PTFEzui高使用溫度200°，zui高壓力4MP。當(dāng)導(dǎo)波雷達(dá)用不銹鋼和陶瓷構(gòu)成時，zui高使用溫度400°，zui高壓力40MP。

總結(jié)

　　超聲波物位計的應(yīng)用主要是考慮換能器（探頭）的選擇。不用于固體物位測量。

　　雷達(dá)物位計的應(yīng)用是考慮天線和頻率的選擇。頻率有6GHz和26GHz兩種，由于6GHz屬于淘汰產(chǎn)品，應(yīng)盡量選用26GHz雷達(dá)物位計。26GHz天線種類很多，各有特點：

　　GDRD55天線，全四氟（PTFE）密封天線，適合工況較好（測距短，液面穩(wěn)定）的液體，腐蝕性液體。少量的揮發(fā)物對天線只造成輕微污染。

　　GDRD56,58天線：1，不繡鋼喇叭天線，適合較干凈沒有揮發(fā)物的工況。2，不繡鋼喇叭加PTFE罩天線，適合有揮發(fā)物，粉塵的工況。3，全朔料天線帶PTFE罩天線，適合有揮發(fā)物，粉塵，凝結(jié)的工況。4，不繡鋼喇叭帶吹掃天線，經(jīng)壓縮空氣做吹掃風(fēng)，適合對天線污染嚴(yán)重工況。5，加天線延長管和散熱管，可用于超高溫工況（如鋼水）。

　　GDRD57，全四氟（PTFE）密封自滴型平面天線，適合食品衛(wèi)生工況。

　　導(dǎo)波雷達(dá)物位計的導(dǎo)波纜繩就是導(dǎo)波雷達(dá)的天線，可參照選型手冊選用。

物位儀表在選型時，與壓力、流量等儀表有很大不同。物位測量的現(xiàn)場工況千差萬別，很難設(shè)計出能滿足所有工況應(yīng)用的物位儀表。在非接觸式物位測量儀表中，超聲波物位計和雷達(dá)物位計是兩大主流儀表。這兩類儀表各有特點，只有充分了解儀表特點及應(yīng)用條件，才能做到選型合理，充分利用儀表的測量性能。