西門子導波雷達物位計的概述及原理
2020-11-22 電子發燒友西門子導波雷達物位計的概述及原理
儀表網 發表於 2019-11-20 15:02:09
1、概述
在科技日新月異的今天，物位測量技術已經從最初的重錘、投尺等傳統的機械式測量方式發展為包含雷達、核輻射等高技術含量的測量技術，覆蓋了工業生產中的絕大多數物位測量需求，核輻射技術因為其特殊性，應用範圍有其局限性，在此不作贅述，而原先由軍用雷達發展而來的雷達物位測量技術正日益成為物位測量的主流趨勢。
所謂的雷達測量技術包含兩種：微波雷達（非接觸式）以及導波雷達，其中微波雷達技術隨著成本的降低和在諸多苛刻工況應用中的優異測量效果得到廣大用戶的認可，但這並不意味著微波雷達技術就是一種的測量技術，可以測量所有的介質；相對而言，全新的導波雷達技術（GuideWaveRadar）恰恰彌補了微波雷達的不足之處。
2、雷達技術比較及導波雷達的原理
顧名思義，微波雷達物位計指通過空間發射、傳播和接收電磁微波的物位測量儀表，導波雷達則是通過某一種形式的波導體來傳導、發射和接收電磁微波的、物位測量儀表。
微波雷達儀表測量物位具有以下優點：1、不與介質接觸；2、高頻電磁波信號易於長距離傳送，可測大量程；3、不受空間氣相條件變化的影響
微波雷達通過發射和接收高頻（GHz）級電磁波，計算電磁波達到物位表面並反射回到接收天線的時間來進行物位測量，而電磁能量的傳送不易受到傳播空間性質的局限性，它可以在高/低壓（真空）或具有汽化介質的條件下傳播，並且氣體的波動亦不影響電磁波的傳播。
普通微波雷達物位測量儀表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號，當這種信號在空氣中傳播時，能量衰減較快，當微波信號到達物位表面並反射時，信號強度也就是振幅，與介質的介電常數有直接關係，介電常數非常低的非導電類介質，如烴類液體，反射回來的信號非常弱，這種被削弱的信號在返回至安裝於罐頂部的接收天線的途中，能量又進一步衰減，微波雷達物位計接收到的返回信號能量大致只有發出信號能量的1%！當用於上述條件介質，接觸式微波雷達物位儀表的性能指標會有所降低甚至無法正常使用。
為了彌補接觸式雷達物位計的這些不足之處，導波雷達物位儀表應運而生，導波雷達的工作原理與前述雷達非常相似，GWR的基礎是電磁波的時域反射性TDR（TimeDomainRefectory）和ETS等時採樣原理。多年來TDR一直被用於檢測發現埋地電纜和牆內埋設電纜的斷頭。
測電纜斷頭時，TDR發生器發出的電磁脈衝信號沿電纜傳播，到達斷頭處就會產生測量反射脈衝；TDR發生器每秒中產生數十萬個能量脈衝沿波導體傳導，當到達介質表面時，產生一個物位反射原始脈衝；與此同時在探頭的頂部預設一個定值阻抗，用以產生一個可靠的基準脈衝，該脈衝又稱為基線反射脈衝。雷達物位計檢查到物位反射原始脈衝，並與基線反射脈衝相比較，從而得到物位測量的數值，這就是導波雷達物位儀表的工作過程。
同時，在接收器中預先設定的與電纜總長度相應的阻抗變化也引發出一個基準脈衝，將反射脈衝與基準脈衝相比較，可定位斷頭的位置。將該原理用於物位測量時，ETS等時採樣原理用於測量高速、低功率的電磁信號，是基於TDR的液位測量技術應用的關鍵。眾所周知，高速的電磁信號短距離的測量是很困難的，ETS實時捕捉電磁信號（UIS），並且在等值的時間裡重新構造它們，以利於更好使用先進的技術測量。
物位測量技術發展到今日，已出現許多種成熟可靠的物位測量儀表，以其不同的性能和特定的適用範圍在不同條件的液位測量中發揮著重要的作用：壓力/壓差測量液位法；射頻導納/電容液位計；超聲波液位計和浮筒液位計等都已在工業上有了數十年的成功使用經驗，但導波雷達液位計以其具有明顯的使用優點及性能更加引起大家的關注：1）能耗低。GWR輸出到波導探頭的信號能量小，約為非接觸式雷達發射能量的10%。這是因為波導體為信號至介質表面傳播提供一條快捷的通道，信號的衰減保持在zui小程度。
2）能量強。由於信號在波導體中傳輸不受液面波動和儲罐中的障礙物等的影響，因而儀表所接收到的返回信號能量相應較強，約為所發射能量的20%。
3）範圍廣。基於上一特性，對於低介電常數的介質導波雷達擁有令人滿意的表現，以西門子LG200產品為例，其可測的zui低介電常數竟為1.4！
4）介電常數的變化對測量性能無影響。信號自烴類（介電常數2~3）液體表面或水（介電常數80）反射的時間一樣，不同的只是信號幅度的差別，微波雷達需考慮介質進而經過篩選才可得到準確測量值，假定接收信號強度改變，信號的篩選就會受到影響；導波雷達由於能量集中可避開諸多幹擾則無此顧慮。
5）密度的變化對測量無影響。介質密度的變化影響浸沒於介質中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導體中的傳播。
6）介質在探杆/纜上的掛料對物位測量的影響極小。掛料有兩種：膜狀和搭橋，膜狀掛料是在料位下降時，高黏度介質在探頭上形成的一層覆蓋，這種掛料在探杆上分布均勻，因此對測量基本無影響；但搭橋掛料的形成卻能導致明顯的測量誤差，因此在選用雙杆/纜式導體時，需要謹慎小心，充分考慮到介質的黏度！
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