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1、概述
物位是工業(yè)過(guò)程監(jiān)控的重要目標(biāo)參數(shù)，在熱電廠內(nèi)各種罐體、料倉(cāng)、 水池的連續(xù)物位測(cè)量中， 雷達(dá)和超聲波兩種原理的物位計(jì)應(yīng)用廣泛。在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段， 設(shè)計(jì)師們對(duì)雷達(dá)和超聲波物位計(jì)的選型依據(jù)業(yè)主的要求以及自身的經(jīng)驗(yàn)， 故兩者在應(yīng)用場(chǎng)合沒(méi)有較明確的界限劃分。針對(duì)這兩種物位計(jì)的選擇應(yīng)用， 作者談?wù)勛约旱目捶ā?br />2、原理簡(jiǎn)述
2.1 雷達(dá)物位計(jì)
雷達(dá)物位計(jì)按其工作方式， 主要分為脈沖式和連續(xù)調(diào)頻式。
脈沖式雷達(dá)物位計(jì)， 采用微波 “發(fā)射→反射→接收” 的原理： 從天線發(fā)射出的電磁波信號(hào)， 在被測(cè)物料表面產(chǎn)生反射， 反射的回波信號(hào)被雷達(dá)系統(tǒng)接收， 通過(guò)電子單元計(jì)算出發(fā)射至接收的行程時(shí)間（t ） 。因電磁波的物理特性與可見(jiàn)光相似， 取光速 （c ） 作為傳播速度，進(jìn)而可換算得出物位值 （如圖 1 所示 ） ： L=E-D=E-c.t/2。連續(xù)調(diào)頻式 （FMCW ） 雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量原理有別于脈沖式， 電磁波信號(hào)被液面反射后， 回波被天線接收， 接收到的回波頻率與此時(shí)發(fā)射信號(hào)波的頻率相比， 兩者存在差異， 此頻率差的大小與到液面的距離成正比。如圖 2 所示：

2.2 超聲波物位計(jì)
與脈沖式雷達(dá)物位計(jì)相似， 超聲波物位計(jì)也是利用波的反射原理， 通過(guò)時(shí)差法進(jìn)行物位測(cè)量。兩者之間的差別僅為雷達(dá)采用的為電磁波， 其傳播無(wú)需介質(zhì)， 而超聲波物位計(jì)采用的為機(jī)械波。 由于機(jī)
械波的物理特性決定其傳播必須借助一定介質(zhì)，所以當(dāng)介質(zhì)的壓力、 溫度、 密度、 濕度等條件恒定時(shí)， 超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度是一個(gè)常數(shù)。 因此， 當(dāng)超聲波發(fā)射遇到物面后， 傳播路徑上的介質(zhì)密度發(fā)生變化， 超聲波被反射， 測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間， 即可換算出超聲波通過(guò)的路程， 從而得到了物位的數(shù)據(jù)。
3、特性及選型注意事項(xiàng)
3.1 雷達(dá)物位計(jì)
雷達(dá)物位計(jì)選型， 需綜合考慮介質(zhì)的介電常數(shù)、 料倉(cāng)高度、 物料形態(tài)及穩(wěn)定性等方面的因素， 從而選擇確定物位計(jì)工作方式、 微波頻率、 波束角以及天線型式。
3.1.1 介電常數(shù)
由于電磁波的衰減系數(shù)與介質(zhì)的介電常數(shù)的平方根成反比， 因此， 被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)越大， 電磁波的衰減越少， 物位計(jì)接受到的反射信號(hào)也就越強(qiáng)， 即測(cè)量可以得到更好的保證。以 E+H Micropi－lotM FMR50 系列雷達(dá)物位計(jì)為例， 表 1 和圖 3 顯示， 同型號(hào)雷達(dá)，對(duì)于低介電常數(shù)介質(zhì)， 其測(cè)量的量程范圍明顯縮小。特別針對(duì) A 類(lèi)介質(zhì)， 普通的安裝方式甚至不能滿足測(cè)量要求

（1 ） 將氨水 NH 3 視為 A 組介質(zhì)， 即需在導(dǎo)波管中測(cè)量。

（1 ） 量程中， 白色部分為標(biāo)準(zhǔn)型儀表的測(cè)量范圍。
（2 ） 量程中， 黑色部分為帶 “動(dòng)態(tài)響應(yīng)” 應(yīng)用軟件包的儀表的測(cè)量范圍。

3.1.2 物料形態(tài)及穩(wěn)定性
當(dāng)物料為固體或粉末狀態(tài)時(shí)， 由于折射、 漫散射等影響， 使有效的回波減少， 雜波增加。同樣， 當(dāng)測(cè)量波動(dòng)表面時(shí)， 也存在有效回波檢測(cè)困難的情況。
3.1.3 措施
不論是介電常數(shù)還是物料形態(tài)穩(wěn)定性的問(wèn)題， 通過(guò)雷達(dá)的檢測(cè)原理即可確定， 要保證測(cè)量的可靠性， 必需減少信號(hào)衰減， 增加有效回波數(shù)量。
根據(jù)電磁波的特性， 當(dāng)波束角確定時(shí)， 電磁波的頻率越高， 在單位面積上積聚的能量越大， 電磁波的衰減越小， 從而雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量精度也就越高。在實(shí)際運(yùn)用中， 脈沖式雷達(dá)物位計(jì)采用的電磁波段主要為 C 段 （低頻 ） 和 K 段 （高頻 ） 兩種， 兩者主要性能對(duì)比如表2。
通常， 波束角的大小與天線的尺寸成反比， 天線越大， 波束角越小， 相同頻率的波在單位面積上聚集的能量也就越大。 針對(duì)固體、 粉末類(lèi)介質(zhì)， 且儲(chǔ)罐條件比較復(fù)雜的場(chǎng)合， 在選擇高頻雷達(dá)的同時(shí)， 應(yīng)采用大尺寸天線 （例如拋物面天線 ） 以提高測(cè)量精度。
由于外界雜波的干擾對(duì)普通非接觸式雷達(dá)的信號(hào)判斷及處理能力提出很高的要求， 采用導(dǎo)波雷達(dá)或者增加導(dǎo)波管 （液體測(cè)量 ） 的方式較好地解決了微波傳輸穩(wěn)定性的問(wèn)題。除此之外， 因電磁波的
回波時(shí)間不因介電常數(shù)的變化而變化， 僅為信號(hào)強(qiáng)度有差， 所以導(dǎo)波式測(cè)量是低介電常數(shù)介質(zhì)物位測(cè)量的優(yōu)選方式。
連續(xù)調(diào)頻式雷達(dá)物位計(jì)， 因其*的信號(hào)分析處理技術(shù)， 具有高靈敏度、 良好的穩(wěn)定性和信號(hào)自動(dòng)校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)， 被視為是復(fù)雜條件物位測(cè)量的優(yōu)選方案， 特別適用于極度粉塵并伴有高溫場(chǎng)合以及
超低介電常數(shù)介質(zhì)的物位測(cè)量。精度可達(dá)±0.5mm，測(cè)量范圍可達(dá)100m。 由于采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)， 物位計(jì)功耗較大 （5~10W ） ， 為常規(guī)脈沖式雷達(dá)物位計(jì)的 10 倍左右，常規(guī)采用 220VAC 四線制接線方式。但隨著技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)已有應(yīng)用良好的 24VDC 兩線制產(chǎn)品， 例如西門(mén)子 SITRANS LR560 等。

3.2 超聲波物位計(jì)
超聲波液位計(jì)， 因聲波的傳播速度與傳播介質(zhì)的溫度、 壓力以及被測(cè)介質(zhì)的特性等均有關(guān)系， 受外界因素的制約較大， 常被用于簡(jiǎn)單工況穩(wěn)定物位的測(cè)量。
3.2.1 常見(jiàn)影響因素

所有外界因素， 對(duì)超聲波信號(hào)而言， 其zui終的體現(xiàn)均為信號(hào)的衰減。常見(jiàn)的影響因素及其程度如表 3。
3.2.2 測(cè)量范圍計(jì)算
超聲波物位計(jì)， 與雷達(dá)物位計(jì)相比， 因其聲波自身的物理特性決定， 其測(cè)量范圍 （一般不超 15m ） 要小于雷達(dá)。在工程實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)分析外界因素對(duì)信號(hào)的衰減影響，比較物位計(jì)理論測(cè)量值， 得出可實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量范圍。以 E+H Prosonic M FMU4x 系列為例：測(cè)量熱電廠渣倉(cāng)料位， 固體物料表面因素衰減約 40dB， 粉塵影響約 10dB，假設(shè)無(wú)其余因素影響，查圖 4， FMU43 的可用測(cè)量約4.8m。 若此量程能滿足工藝檢測(cè)要求， 則可采用超聲波， 否則需另選物位計(jì)。
3.3 特性比較
超聲波測(cè)量鑒于被測(cè)介質(zhì)的密度，其受溫度和壓力的影響較大， 不同密度下超聲波傳播速度不同， 信號(hào)修正困難。另外， 超聲波的發(fā)生是通過(guò)壓電晶體的機(jī)械振動(dòng)， 當(dāng)外界壓力太大時(shí)會(huì)影響超聲波的產(chǎn)生， 所以不可用于壓力較高或負(fù)壓的場(chǎng)合， 通常只用在常壓容器。 一般情況下， 超聲波液位計(jì)使用溫度不可超過(guò) 80℃， 壓力需在0.3MPa 以?xún)?nèi)。而雷達(dá)受此影響不大， 可以用在高溫、 高壓工況下。
由于機(jī)械波易受傳播介質(zhì)的影響， 能量衰減也相對(duì)較大， 在氣態(tài)或者不均勻介質(zhì)中表現(xiàn)更明顯。在相同能量下， 電磁波的傳播性比超聲波要好很多， 因此雷達(dá)物位計(jì)的可使用量程范圍也比超聲波要大， 特別現(xiàn)在采用高頻和連續(xù)調(diào)頻技術(shù)， 使得其量程范圍進(jìn)一步增大。
因雷達(dá)物位計(jì)對(duì)環(huán)境和介質(zhì)本身產(chǎn)生的擾動(dòng)分辨能力更強(qiáng)， 也就可以更好地消除干擾， 使得其能更好地保證測(cè)量精度。 相比而言，超聲波物位計(jì)因易受外界干擾影響， 實(shí)際的測(cè)量精度較差。
3.4 選型應(yīng)用
在熱電廠中， 物位的測(cè)量主要為煤、 石灰石、 渣、 灰等固體或粉末類(lèi)介質(zhì)， 以及部分水、 油、 酸堿液態(tài)介質(zhì)， 對(duì)于上述介質(zhì)的物位測(cè)量， 分析雷達(dá)和超聲波物位計(jì)的原理和特點(diǎn)， 選型如下：（1 ） 因雷達(dá)采用電磁波， 不需要傳播媒介， 可以應(yīng)用于真空工況。 例如導(dǎo)波雷達(dá)， 現(xiàn)被用于凝汽器熱井水位的測(cè)量， 而超聲波則不適用。
（2 ） 煤粉倉(cāng)、 灰渣庫(kù)等低介電常數(shù)并伴有粉塵的固態(tài)或粉末狀態(tài)物料， 因聲波會(huì)有很大的衰減， 所以一般不應(yīng)選用超聲波物位計(jì)。
選用雷達(dá)時(shí)， 應(yīng)選擇高頻雷達(dá)， 并選用例如拋物面天線等此類(lèi)的大尺寸小波束角天線。 當(dāng)安裝條件允許時(shí)， 也可采用纜式 （小量程采用桿式 ） 天線來(lái)降低介質(zhì)特性本身以及外界干擾對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，但應(yīng)做好天線端部固定工作。
（3 ） 對(duì)于液氨、 濃鹽酸等易揮發(fā)或擴(kuò)散形成霧氣的儲(chǔ)罐液位測(cè)量， 或者是液面可能產(chǎn)生泡沫 （例如循環(huán)水池） 時(shí)， 導(dǎo)波雷達(dá)將是很好的選擇， 但需要注意儲(chǔ)罐的尺寸， 若為小型儲(chǔ)罐， 則建議采用高頻非接觸雷達(dá)+導(dǎo)波管的測(cè)量型式。
（4 ） 針對(duì)高壓加熱器水位、 汽包水位等高溫高壓且存在汽水共騰工況的液位測(cè)量， 可選用高溫高壓型同軸導(dǎo)波雷達(dá)。 同軸探頭， 加上氣相補(bǔ)償、 等時(shí)采樣等技術(shù)的應(yīng)用， 使得在沸騰的腔體內(nèi)， 雷達(dá)也能有穩(wěn)定可靠的讀數(shù)。西門(mén)子 LG200、 E+H FMP54 等產(chǎn)品均已在電廠此類(lèi)場(chǎng)合的液位測(cè)量中得到很好的應(yīng)用。
（5 ） 由于雷達(dá)物位計(jì)產(chǎn)生高頻電磁波的電子電路相對(duì)復(fù)雜， 使得產(chǎn)品價(jià)格較高。 因此， 在精度要求不是特別高或測(cè)量理想液面 （例如平靜光滑的脫鹽水儲(chǔ)罐、 點(diǎn)火油罐等液位 ） 時(shí)， 超聲波物位計(jì)就體現(xiàn)了很好的性?xún)r(jià)比。另外， 若為統(tǒng)一選型， 減少物位計(jì)的種類(lèi)考慮，經(jīng)濟(jì)型低頻雷達(dá)也是較好的選擇方案。
雷達(dá)和超聲波兩種類(lèi)型的物位計(jì)均是工業(yè)物位測(cè)量的良好解決方案， 其選型應(yīng)用需根據(jù)過(guò)程工況、 介質(zhì)特性決定， 并結(jié)合安裝條件、 使用環(huán)境等外界因素。 經(jīng)濟(jì)適用、 更好的性?xún)r(jià)比是設(shè)計(jì)人員選型的重要依據(jù)， 也是現(xiàn)代工廠精細(xì)化管理追求良好效益的基礎(chǔ)條件。
導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)  雷達(dá)物位計(jì)  超聲波液位計(jì)  分體型超聲波物位計(jì)