物位计测量技术分析及应用研究

张 敏 冷建伟 杜 宝

(天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室1，天津 300384;天津长飞鑫茂光缆有限公司2，天津 300380)

0 引言

在企业生产中，用来测量液位或固体物料容量变化的仪表统称物位仪表。不恰当的物位测量会造成很大的经济损失。利用微波来检测物位是军事工业特有的雷达测量技术逐步民用化的产物，它具有非接触和高精度的显著优势，目前被越来越多地应用于石油和化工等行业。调频连续波(frequency modulated continuous wave，FMCW)雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制系统，由于它具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率等优点，近年来受到了人们的广泛关注。

1 物位测量技术发展

在化工生产中，用来测量液位、固体料位和两种不同密度液体界面的仪表分别称为液位计、料位计和界面计，统称为物位仪表［1］。物位测量技术经历了结构上从机械式仪表向电子式仪表发展，以及工作方式上由接触式向非接触式发展的阶段。

物位仪表的分类如图1所示。

图1 物位仪表分类Fig.1 Classification of the material level meters

图1中，前4种测量技术都属于接触式测量方法，第5种辐射法为非接触测量方法。其中，直视法是指眼睛可以直接观测到介质容量变化的一类方法;测力法是指通过被测介质对指示器或传感器等目标施加外力来测量的方法;压力法是由被测介质施加在测量探头而产生压力进行测量的方法;电特性法是利用被测介质的电特性进行测量的方法;辐射法采用电磁频谱原理技术。

前4种方法需要测量仪器的全部或一部分部件与被测介质(固体或液体物料)相接触才能达到测量的目的。从长期来看，物料粘附物及沉积物会对这些机械部件产生附着，当物料为腐蚀性或易产生水锈的介质时，对仪器精度的影响将更加严重。在工业生产中，对物位仪表最基本的要求是高精度和高可靠性，这就需要有应用范围更大、精度更高的技术出现［2］。

2 ToF测量原理

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声波物位计、微波物位计和激光物位计。

天线发射器向距离为R被测量物料发射能量波，经被测量介质反射，由天线的接收器接收。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:

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=340 m/s;当以电磁波为能量源时，c=3×108m/s［3］。非接触测量方法正是利用式(1)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。

3 雷达物位计分类

尽管辐射法物位计都是采用ToF测量原理，但所采用的能量波不同时，信号的反射机理及在信号处理等方面都有很大的不同。以现在常用的超声波和微波物位计为例，它们都采用ToF测量原理，都需要一个信号发生器和一个回波信号接收器，但两种能量波在频率范围、反射方法以及对于包含距离信号的反射波的处理上都有比较大的差别［4］。

3.1 超声波物位计与微波物位计

电磁波的波段非常宽，从3 kHz～3000 GHz，微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波。在物位检测中，微波使用的频段规定在4～30 GHz之间，典型波段为 5.8 GHz、10 GHz、24 GHz。5.8 GHz的频率属于 C波段微波;10 GHz的频率属于X波段微波;24 GHz的频率属于K波段微波。

声波是机械波，频率范围为20 Hz～20 kHz，因此，当声波的振动频率高于20 kHz或低于20 Hz时，我们便听不见了。我们把频率高于20 kHz的声波称为“超声波”。

电磁波与声波产生的原理是不同的，声波是靠物质的振动产生的，在真空中不能传播;而电磁波是靠电子的振荡产生的，其本身就是一种物质，传播不需要介质，能在真空中传播。这两种波在通过不同的介质时都会发生折射、反射、绕射和散射及吸收等现象，物位计正是应用这种特性来测量距离的。

超声波物位计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，所以很难做成通用产品;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。

超声波物位计的声波信号是在不同声阻率(声阻率等于物料密度ρ×声速c)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17 mm，传播速度受温度影响较大，如当温度为0℃时，声速为331.6 m/s;当温度为20℃时，声速为344 m/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。

与超声波物位计相比，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。

表1 常见物料的相对介电常数Tab.1 Relative dielectric constant

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0.2 dB/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计，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20 m量程的雷达物位计，若用于测量煤粉，有效量程最多为7 m;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

微波物位计按使用微波的波形可分为脉冲波和调频连续波两大类。

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十皮秒(1 ps=10－12s)［5］。

假设记录时间的芯片最高精度为50 ps，按式(1)可得到其测量误差距离精度为:ΔR=Δt×c=15 mm，即脉冲雷达如果仅靠时间来处理数据，其最高精度为15 mm。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5～10 mm具有一定的难度。

3.2.2 调频连续波雷达物位计

调频连续波(FMCW)雷达的原理为发送具有一定带宽、频率线性变化的连续信号，再对接收到的连续信号进行快速傅里叶变换，通过发送与接收信号的频率差来计算两个信号的时间差，最后与脉冲波雷达物位计一样，由时间差得到对应的距离值。FMCW雷达能够获取很高的精度［6］，其精度主要取决于压控振荡器的线性度和温漂。

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［7］。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。

图2 发射和接收信号原理图Fig.2 Principle of emission and return signals

图2中，实线为雷达天线发送信号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，即信号由天线发送经物料反射，再由天线接收所经的时间td比信号周期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，差频信号fif的大小正比于天线与目标间的距离R，即:

式中:c为光速，3×108m/s;T为信号周期;B为信号带宽，均为已知参数。获得差频信号fif的值最简单的方法是利用傅里叶变换方法，通过频谱分析求得。

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，一般为脉冲雷达的2～2.5倍左右。

FMCW雷达发射的是连续波，发射(平均)功率比脉冲雷达的(峰值)功率小很多。发射功率小具有以下优点:①电源电压大大降低，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;③FMCW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。

4 雷达料位计测量技术难点

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:颗粒直径波长。则波长λ与频率f的关系为:

当c为声速344 m/s，选用频率为40 kHz的超声物位计时，由式(3)可以算出它的波长为8.6 mm，所以，对颗粒直径为2 mm以上的物料都可形成良好的漫反射;而当 c为光速3×108m/s，采用 X波段频率为5.8 GHz或6 GHz的微波物位计时，由式(3)可得波长约为52 mm，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，可提高发射信号频率，选用K波段(24 GHz或26 GHz)，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［8］，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，如果采用同一天线进行发射和接收，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。

5 结束语

近年来，微电子技术的渗入大大促进了新型物位测量技术的发展，新的测量技术促使物位测量仪表产品结构产生了很大变化。电子型物位仪表在品种和产值上都已超过机械型仪表，成为物位仪表的主流，而非接触式测量技术是发展较快、应用较广的一种物位测量方式。此外，电池供电及无线雷达式物位仪表也开始在市场上出现。所有这些技术上取得的进步以及不断下降的价格正推动着雷达式物位仪表的不断增长。

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