雷达物位计的原理、应用及常见问题

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摘 要：具体介绍了雷达物位计的特点、工作原理，探讨它在选型、安装及故障处理方面一些常见问题，并提出解决方法。对仪表人员的日常维护提供了可靠保障。

关键词：雷达物位计;工作原理;微波脉冲;问题处理

中图分类号：TH 816

1 前言

河南煤化集团中原大化公司6×104t/a三聚氰胺装置采用意大利欧技公司高压法生产工艺，原设计助滤剂贮槽内OAT助滤剂料浆液位由一台差压变送器测量控制，为防止料浆堵塞，在导压管内吹入干燥仪表空气，由于空气的可压缩性或上游转子流量计引起的故障，造成空气流量和压力难以精确控制，致使料浆液位无法准确测量，料位与稀释泵的联锁经常误动作，严重影响系统的稳定。为了解决此问题，2002年10月将差压变送器改型为新型智能化的德国E+H公司生产的FMR231型雷达物位计。通过实践，问题得到了解决。本文将通过我公司雷达物位计在生产中的成功应用，探讨它在选型、安装及故障处理方面一些常见问题，并提出解决方法。

2 雷达物位计简介

雷达物位计是一种非接触式的高精度物位仪表。它具有测量精确、效率高，无需维修、保养、耐磨损、安装简单等特点。它不受高温、高压或真空影响，不受介质温度变化及惰性气体的影响，不被粉尘或蒸汽衰减，特别适合高粘度、强腐蚀介质。

雷达物位计发射一种特殊的电磁波，它以光速传播，且传速不受温度、压力、蒸汽等介质特性的影响。它采用发射-反射-接收方式工作，发射率取决于被测介质的传导率和介电常数二特性。导电性物料如水、酸等有很好的发射率并且不考虑介电常数的值。对非导电性物料，反射率取决于介电常数的值，介电常数的值越大，雷达反射得越好。低介电常数的物料吸收雷达传感器发送的大部分微波，这样反射回到天线的能量就有损失。一般要求被测物料的介电常数大于4，精密型的可低至2。[1]

雷达式物位计主要由天线、发射和接收装置、信号处理器、操作面板、显示、报警等几部份组成。有一体型和分体型两种。雷达物位计是技术先进的智能型仪表，具有HART通讯协议，可通过计算机、手持通讯器进行组态，通过仪表测量和回波曲线来调参数、判断故障。

3 雷达式物位计的特点

（1）连续准确的测量

雷达式物位计不受温度、压力、气体的影响，与介质表面无接触，快速且精确地测量不同介质的物位。

（2）安全且节能

雷达式物位计不但可以在高温高压下进行测量而且极准确安全且节省能源，雷达式物位计的发射功率只有每平方厘米几个微瓦，因此可以不受任何限制将其应用于各种场合。在实际应用中，通过金属外壁就可将雷达信号完全屏蔽。雷达式物位计使用的材料化学性和机械性都相当稳定，而且材料可以再循环利用。

（3）无需维修且可靠性强

雷达波不受干扰，由于雷达式传感器的各部件均不能被拆开而且没有机械磨损，所以雷达式物位计可以被应用于各种场合。通过使用高级材料，雷达式物位计对于极复杂的化学和物理条件都很耐用，它可以提供准确可靠且长期稳定的模拟量或数字量物位信号。

（4）几乎可以测量所有介质

雷达信号是否可以被反射，取决于两个因素：被测介质的导电性，被测介质的介电常数。所有导电的介质都能很好地反射雷达信号，雷达传感器可以测量所有介电常数大于1.5的介质（空气的介电常数是1），尽管介质的导电性不是很好，也能被很准确地测量。

4 雷达物位计的基本工作原理和测量方式

4.1 工作原理

雷达物位计的基本原理是雷达波由天线发出，抵达液面后反射，被同一天线接收。雷达波往返的时间正比于天线到液面的距离，其运行时间与液位距离关系如图1所示。

图1 雷达物位计基本测量原理

L=H－d=H－ct/2

式中:c——电磁波传播速度，在真空中为3×108m/s；

d——被测介质与天线之间的距离，m；

t——天线发射与接收到发射波的时间差，s；

H——天线距罐底高度，m；

L——液位高度，m。

由式（1）可知，只要测得t即可计算得到L。[2]

其工作原理为：

（1）PUSH脉冲技术

这种技术就是由雷达头发射一个脉冲信号，并测量从发出到接收回波的时间。这种技术根本上是一种模拟技术。

（2） FMCW(Frequency Modulated Continue Wave)，调频连续波技术

这种技术不是测量时间。雷达头发射连续变化的频率信号，雷达信号被液体表面反射后，天线接收回波。由于信号频率在改变，回波与信号发射瞬间的频率不同，该频率差正比于自雷达头到液面的距离。FMCW技术就是测量这种频率差，这是一种数字技术。

(3)导波雷达

导波雷达物位计运用TDR原理（时域反射原理），TDR发生器产生一个沿导波杆向下传送的电磁脉冲波，当遇到比先前传导介质（空气或蒸发气）介电常数大的液体表面时，脉冲波会被反射。用超高速计时电路来计算脉冲波的传导时间，电磁脉冲波传输距离s=vt，从而达到精确液位测量。

4.2 测量方式

目前主要有两种不同的时间测量方式。一种是微波脉冲（PTOF）测量方法；一种是连续波线性调频测量法（FM-CW）。

（1）微波脉冲测量

雷达发射脉冲信号，信号从发射到接收的运行时间与雷达传感器到介质表面的距离及物位成比例。

大多数雷达物位计采用这个原理，采用的频率为5.8～6.3GHz。价格较低、精度一般。雷达的发射角较大，在测量中除液面回波外，还会产生其它干扰回波，难以确认液面回波。抗干扰能力较差，在测固态物料时更会产生各种干扰，因此采用此原理的液位计大多不能用于测固态液位。

（2）连续波线性调频测量

雷达对物料表面发射连续的变频波，天线接收回波信号。因为频率是不断变化的，因此发射和接收的信号频率不同，频率差值与到物料表面的距离成正比。