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摘要：西門子雷達物位計具有許多優(yōu)點，近年來應用廣泛。本文簡單介紹了雷達物位計的工作原理及應用的注意事項。
1.概述
西門子雷達物位計進入市場，由于測量精度高、耐高溫高壓的能力強，以及采用非接觸的測量方式，成為過程控制工業(yè)罐區(qū)物位監(jiān)測的儀表，受到廣大技術人員的歡迎。
在公司的生產(chǎn)車間，物位作為重要的過程參數(shù)已成為判斷生產(chǎn)過程的效率、工作狀況及經(jīng)濟性能的重要指標，物位測量儀表在連續(xù)與離散控制系統(tǒng)中的作用日趨突出，業(yè)主對測量儀表的測量、穩(wěn)定可靠、多功能、智能化的要求也越來越高。雷達物位計是近年逐步在現(xiàn)場應用的先進測量技術。在使用過程中也暴露出一些問題，主要是設計選型失誤。由于雷達物位計種類和品牌較多，如果在設計階段不能結合工礦條件選擇適宜的產(chǎn)品，就可能造成雷達物位計無法正常使用。
2．雷達物位計的測量原理與分類
2.1 測量原理
西門子雷達物位計主要由雷達探測器（一次表）和雷達顯示儀（二次表）組成。雷達探測器主要由主體、連接法蘭和天線三部分組成。天線分為喇叭型和直接與波導管連接兩種形式。雷達顯示儀提供連接上位計算機的RS-485接口，可以傳遞物位等參數(shù)及報警信，亦可通過上位計算機對智能雷達顯示儀進行控制。
雷達探測器采用的是線性調頻連續(xù)波測距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調制的連續(xù)波，當回波被天線接收到時，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計算出物料面的距離。FMCW方式測量線路較復雜，從而測量度較高，同時干擾回波也較易去除，一般用于較的測量方案。雷達探測器的主體中包括微波信源、信處理部分。工作過程中，微波信源輸出一個波幅恒定的線性調頻的微波信，其產(chǎn)生的頻率輸出：發(fā)射頻率隨時間線性增加，增加的斜率為k，當發(fā)射出去的連續(xù)波遇到液面發(fā)射時，發(fā)射回來的信頻率如圖1中點劃線所示，它比發(fā)射信滯后了一定時間τ。
根據(jù)微波傳播原理知道：
τ＝2R/C （1）
式中C是微波在空間中的傳播速度3×108km/s，R是液面距雷達物位儀的距離。
由于回波信頻率的滯后，使得反射頻率與發(fā)射信頻率之間的差頻為：
f=kτ （2）
將以上兩式合并后可以得到：
R=C×f/2k
顯然R與f是成正比的，反射液面離物位儀的距離越遠所產(chǎn)生的差頻頻率f越大，因此可計算天線到反射面的距離。
信處理部分則對回波信與發(fā)射信的混合信進行處理，通過測量混合信頻譜，用快速傅立葉變換（FFT）來計算混合信，從中對混合信頻譜進行分析，排除掉干擾信，然后確定天線到反射界面的距離，從而完成測量。
2.2 優(yōu)點特性
雷達物位計采用非接觸式測量方法。目前較成熟的非接觸測量技術有超聲波、核輻射和微波。而在化工、石化等過程工業(yè)領域，由于被測介質普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發(fā)、冷凝等復雜工況，且對測量儀表有防爆要求。相比與超聲波，微波傳播的自身特點決定了雷達物位計的使用優(yōu)勢：
1) 定向傳播。
2) 準光學特性。
3) 傳輸特性好。
4) 介質對微波吸收與介質的介電常數(shù)成比例。
由其自身特性決定，雷達物位計在使用上具有以下優(yōu)勢：
1) 連續(xù)準確測量：由于雷達物位計不與被測介質接觸，且受溫度、壓力、氣體等影響非常小。
2) 維護方便，操作簡單：雷達物位計具有故障報警及自診斷功能。
3) 適用范圍廣：非接觸式測量，方向性好，傳輸損耗小，可測介質多。
4) 安裝簡單：在各行業(yè)應用中，雷達物位計可直接安裝到儲罐頂部，安裝十分簡單。
雷達物位計通常分為脈沖雷達和調頻連續(xù)波雷達（FMCW）兩種。脈沖雷達的工作模式與超聲物位計相似:天線周期地發(fā)射微波脈沖，并接收物料面回波，同時對回波信進行分析處理，確認有效回波，據(jù)之計算物位。線性調頻連續(xù)波測距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調制的連續(xù)波，當回波被天線接收到時，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計算出物料面的距離。E+H公司的雷達物位計基本采用脈沖雷達原理。西門子公司LR400系列采用調頻連續(xù)波雷達原理，LR300系列采用脈沖雷達原理。
美國Madshen品牌雷達液位計
2.3 特性分類
按發(fā)射雷達波的頻率分，可分為高頻雷達和低頻雷達。高頻雷達發(fā)射的20GHz以上的高頻微波，根據(jù)波的特性：速度=波長*頻率，我們可以得知24GHz高頻的微波的波長較其他頻段的雷達波的波長要短的多。一般的講，固體料面的形狀是傾斜而且粗糙的，較小的波長可以zui大程度上保證發(fā)射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達探頭。因而高頻雷達主要應用于固體介質和大量程場合的測量。低頻雷達發(fā)射微波頻率在100MHZ~6MHZ，主要應用于液體介質和小量程場合的測量。
按天線的形式分，可分為普通雷達和導波雷達。普通雷達發(fā)射的微波通過空間傳播。導波雷達則是通過波導體傳導來發(fā)射和接收電磁波的物位測量儀表。
導波雷達測量原理的基礎是電磁波的時域反射性，該原理用于物位測量時，微波發(fā)生器每秒中產(chǎn)生20萬個能量脈沖并發(fā)送入波導體，波導體與液體表面的接觸時，由于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(fā)生聚燃變化，從而產(chǎn)生一個物位反射原始脈沖。
3．雷達物位計使用的注意事項
3.1 介電常數(shù)的影響
低介電常數(shù)和變介電常數(shù)的被測介質，優(yōu)選導波雷達。低介電常數(shù)液體介質反射信弱，信衰減嚴重，物位波動和泡沫散射引起信減弱，罐內(nèi)障礙物反射引起虛假信，為此就需要發(fā)射較強的電磁波信，并采用功能強的微處理器進行復雜的信處理。這就使得常規(guī)交流供電雷達物位計價格非常昂貴，但仍難以較好的解決在上述條件下的物位測量問題。導波雷達和常規(guī)雷達一樣，采用傳輸時間來測量介質物位，信自烴類[介電常數(shù)2~3]液體表面或自水[介電常數(shù)80]面反射回傳的時間一樣的，不同的只是信幅度[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，從雜散信中檢出真正的物位信，而導波雷達僅需測量電磁波的傳輸時間即可，無需信的處理和辨別。
3.2 固體物料測量
對于粉狀物料，可以選擇纜式導波雷達。由于微波在鋼纜中傳輸，物料在輸送過程中產(chǎn)生的粉塵對測量沒有影響。閃速爐的精礦、石英、粉煤均采用E+H公司的FMP40系列的纜式導波雷達，測量效果良好。對于顆粒狀或塊狀物料，須選用高頻雷達物位計。而且微波的發(fā)射角愈小愈好。因為微波的頻率越高，微波的波長越短，保證發(fā)射出去的雷達波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達探頭，發(fā)射角愈小，形成雜波和漫發(fā)射的概率就越小。
3.3 液體、物位的測量
對于液面相對平穩(wěn)的罐體，且被測液體的介電常數(shù)較高，可以選擇普通雷達物位計。對于液面波動大、或帶有攪拌的罐體，或被測液體的介電常數(shù)較低，應優(yōu)選導波雷達。因為導波管對液面有整型作用，且導波雷達的微波反射不易受環(huán)境條件變化的影響。被測液體的介電常數(shù)和密度變化對測量結果沒有影響。對于被測液體的粘度≥500cst，且液體粘附性較強的情況，不能選擇導波管方式測量，因為粘附和結晶會堵死導波管。從而形成虛假物位?？梢赃x擇導波桿方式來測量。當介質在探頭上的涂污對測量物位的影響可分為兩種：膜狀涂污和橋接。膜狀涂污是在物位降低時，高粘液體或輕油漿在探頭上形成的一種覆蓋層。由于這種涂污在探頭上涂層均勻，因此對測量基本無影響；但橋接性涂污的形成卻能導致明顯的測量誤差，當塊狀或條狀介質污垢粘結于波導體上或橋接于兩個波導體之間時，就會在該點測得虛假物位。
3.4 雷達物位計的基本設定
1) 根據(jù)物位計測量儲罐的形狀，設定儲罐特性。
2) 根據(jù)檢測介質的特性設定介電常數(shù)。
3) 在過程條件一項選擇所測介質的過程變化情況，如果是桿式的雷達物位計，還應該設定探頭底部的接觸情況。
4) 接下來按照工藝要求設定物位計的空標和滿標值，如果是導波管的還應該設定導波管的直徑。
5) 根據(jù)設定的空標值做全程抑制。
4．結束語
近年來，中國經(jīng)濟迅速發(fā)展，石油、化工、醫(yī)藥、食品等過程工業(yè)領域對雷達物位計的需求也將越來越大。相信雷達物位計將會有更好的明天，我們將不斷提高現(xiàn)有雷達物位計技術水平和開發(fā)新型的物位計，為用戶提供更好的服務。Madshen品牌具有美國知識產(chǎn)權雷達物位計的面世，為中國用戶提供了更大的選擇空間，也為他們優(yōu)化成本、合理配置資源提供了更大的方便。
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