脈沖雷達物位計雷達信號是一種特殊形式的電磁波，其物理特性與可見光相似，它可以穿透空間，傳播速度相當于光速。按照電磁波的包絡波形，雷達可分為兩大類，即脈沖雷達和連續(xù)波雷達。雷達技術起初僅用于軍事，后來發(fā)展到用于監(jiān)控民用飛機，現(xiàn)在這種技術被廣泛的用于其他行業(yè)，而雷達物位計是20世紀60年代中期從油輪液位測量基礎上發(fā)展起來的。以前由于雷達傳感器的信號分析處理要求*，價格較貴，影響了雷達式傳感器在物位測量儀表中的應用。自上個世紀九十年代以來，雷達物位計由于測量精度高、具有耐高溫和高壓的特性，以及非接觸式測量原理，十分適合石化、冶金等復雜工業(yè)過程物位測量要求，成為重要物位測量的儀表之一。與一般雷達（軍用、氣象、導航）相比，物位雷達測距短（10~100m）所以對測量精度提出了較高的要求。雷達信號是否可以被反射，主要取決于兩個因素：被測介質的導電性和介電常數。所有導電介質都能很好地反射雷達信號，即使介質的導電性不是很好，也能被準確地測量。雷達傳感器一般可以測量所有介電常數大于1.5的介質，介質的導電性越好或介電常數越大，回波信號的射效果越好。
測量原理
作為一種新型的物位測量技術，現(xiàn)在廣泛使用的雷達物位計有以下3種類型：脈沖雷達物位計、調頻連續(xù)波（Fre-quency Modulated Continuous Wave,FMCW）雷達物位計和導波雷達（Guided Wave Radar,GWR）物位計。
脈沖雷達采用高頻、窄脈沖對微波源信號進行調制，以波束的形式發(fā)射固定頻率（即載波頻率）的脈沖波，在介質表面反射后由接收器接收，脈沖的時間行程決定了由發(fā)射天線至介質表面的距離。由于t的數值極小，因此這種方法不適合近距離的高精度測量。
脈沖雷達也能測量界面，只要上層介質的介電常數低于下層介質。雷達波遇到低介電常數介質會將一定強度的波反射，其余波繼續(xù)在介質中傳播，直至遇到高介電常數介質界面后再反射，通過測量該回波的時間差即可實現(xiàn)界面測量。
大多數經濟型的脈沖微波物位計都采用5.8GHz或6.3GHz的微波頻率，其輻射角較大（約30°），容易在容器壁或內部構件上產生干擾回波。雖然加大喇叭天線尺寸可稍微減少發(fā)射角度，但體積增大，使用不便。
調頻連續(xù)波雷達物位計
與脈沖雷達相比，調頻連續(xù)波雷達天線發(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)射頻率已經改變，于是通過測量雷達波往返信號的頻譜而非雷達波的往返時間進行物位測量。 調頻連續(xù)波雷達的基本測量原理，雷達物位計探頭同時進行雷達波的發(fā)射和接收，由于回波信號頻率的滯后，使得反射頻率與發(fā)射信號頻率之間有頻差，而該頻差△f與雷達物位計測量的距離H呈正比關系，即H越大，△f也越大。因此，通過對鋸齒波的頻差檢測即可得到一個高精度的物位信號。為了排除干擾信號，雷達物位計的信號處理電路通常測量混合信號頻譜，用快速傅立葉變換（FFT）來計算混合信號，從中對混合信號頻譜進行分析，排除掉干擾信號，然后確定天線到反射界面的距離。信號頻譜由于采用了FMCW的測量原理，使雷達波能夠*的“射”向測量介質，使其抗*力加強，“失波”的可能性降到zui低，從而提高了它的可靠性，從而完成測量。
早期的調頻連續(xù)雷達是采用平均頻率計數的方式，對回波中頻信號進行處理以獲取回波中的距離信息。該方法結構簡單，精度較高，但只能適用于單目標的場合。20世紀80年代以后，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，調頻連續(xù)雷達回波中頻的處理普遍采用數字信號處理的方法獲取回波中頻的距離譜，根據其zui大值點所處距離位置來測量距離。這種方法主要是進行FFT運算，計算出回波在距離軸上的功率譜曲線，可充分利用調頻連續(xù)雷達的高距離分辨率和高測距精度的特點，適用于更為復雜的目標環(huán)境，是近距離微波測距的重要手段。調頻連續(xù)波雷達與脈沖雷達相比，連續(xù)波不僅能夠消除距離盲區(qū)，而且采用大的帶寬能夠獲得高的距離分辨率和測距精度，在高精度近距離測量領域得到廣泛應用。
導波雷達物位計
脈沖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(fā)射進入空氣中傳播時，能量減弱的非常快，當信號到達液面并反射擊回來時，自液面反射的信號強度與液面的介電常數有直接關系，介電常數非常低的非導電類介質反射回來的信號非常小，這種被削弱的信號在返回至安裝于罐頂部接收天線的途中，能量又被進一步削弱，這會導致雷達液位計所接收到的返回信號能量小于它所發(fā)出信號能量的1%；當液面出現(xiàn)波動和泡沫時，情況就變得更復雜，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面計接受天線的信號更加弱小或無信號返回；另外，當儲罐中有攪拌器、管道等障礙物時，這些障礙物也會反射電磁波信號，從而產生虛假的液位信號。
為了彌補脈沖雷達液位計的這些缺陷，導波雷達液位儀表應運而生，導波雷達的工作原理與常規(guī)通過空間傳播電磁波的雷達非常相似，導播雷達物位計的基礎是電磁波的時域反射（Time Domain Refectory TDR）原理，采用該原理可以發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內埋高電纜的斷頭，測電纜斷頭時，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號沿電纜傳播，遇到斷頭時，就會產生測量反射脈沖；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(fā)一個基本脈沖，將反射脈沖與基本脈沖相比較，可測出斷頭的位置。將該原理用于物位測量時，微波脈沖不是在空間傳播，而是通過一根（或兩根）從罐頂伸入、直達罐底的導波體傳播。導波體可以是金屬硬桿或柔性金屬纜繩。TDR發(fā)生器每秒中產生約20萬個能量脈沖，當這些脈沖遇到波導體與液體表面的接觸處時，由于波導體在氣體中和在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)生驟然變化，從而產生一個液位反射原始脈沖，同時在波導體的頂部具有一個預先設定的阻抗，該阻抗產生一個可靠的基本脈沖，該脈沖又稱為基線反射脈沖。雷達液位計檢測到液位反射原始脈沖，并與基線反射脈沖相比較，從而計算出介質的液位高度，由于高導電性介質液位產生較強的反射脈沖，而低導電性介質產生的反射較弱。低導電性介質使得某些電磁波能沿著波導體穿過液面繼續(xù)向下傳播，直至*消失或被一種較高導電性的介質反射回來，因此可以采用導播雷達測量兩種液體界面（如油/水界面等），只要界面下的液體介電常數遠遠高于界面上液體的介電常數。
本文由天能儀表液位計原創(chuàng)，轉載請注明出處
儀表網手機版
儀表網小程序
公眾號：ybzhan
掃碼關注視頻號
手機版
官方微信
采購中心
