雷達和超聲波物位計選型對比分析

摘 要：簡述雷達、超聲波兩種物位計的原理及基本特性，通過分析各種因素對物位計測量產(chǎn)生的影響，結(jié)合熱電廠中各物料的自身特性，確定更為合理的物位計選型。

關(guān)鍵詞：雷達；超聲波；物位檢測

1 概述

物位是工業(yè)過程監(jiān)控的重要目標(biāo)參數(shù)，在熱電廠內(nèi)各種罐體、料倉、水池的連續(xù)物位測量中，雷達和超聲波兩種原理的物位計應(yīng)用廣泛。在工程項目設(shè)計階段，設(shè)計師們對雷達和超聲波物位計的選型依據(jù)業(yè)主的要求以及自身的經(jīng)驗，故兩者在應(yīng)用場合沒有較明確的界限劃分。針對這兩種物位計的選擇應(yīng)用，作者談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

2 原理簡述

2.1 雷達物位計

雷達物位計按其工作方式，主要分為脈沖式和連續(xù)調(diào)頻式。

脈沖式雷達物位計，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，在被測物料表面產(chǎn)生反射，反射的回波信號被雷達系統(tǒng)接收，通過電子單元計算出發(fā)射至接收的行程時間（t）。因電磁波的物理特性與可見光相似，取光速（c）作為傳播速度，進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）雷達物位計的測量原理有別于脈沖式，電磁波信號被液面反射后，回波被天線接收，接收到的回波頻率與此時發(fā)射信號波的頻率相比，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

與脈沖式雷達物位計相似，超聲波物位計也是利用波的反射原理，通過時差法進行物位測量。兩者之間的差別僅為雷達采用的為電磁波，其傳播無需介質(zhì)，而超聲波物位計采用的為機械波。由于機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，超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度是一個常數(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，測量超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間，即可換算出超聲波通過的路程，從而得到了物位的數(shù)據(jù)。

3 特性及選型注意事項

3.1 雷達物位計

雷達物位計選型，需綜合考慮介質(zhì)的介電常數(shù)、料倉高度、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，被測介質(zhì)的介電常數(shù)越大，電磁波的衰減越少，物位計接受到的反射信號也就越強，即測量可以得到更好的保證。以E+H MicropilotM FMR50系列雷達物位計為例，表1和圖3顯示，同型號雷達，對于低介電常數(shù)介質(zhì)，其測量的量程范圍明顯縮小。特別針對A類介質(zhì)，普通的安裝方式甚至不能滿足測量要求。

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，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)測量波動表面時，也存在有效回波檢測困難的情況。

3.1.3 措施

不論是介電常數(shù)還是物料形態(tài)穩(wěn)定性的問題，通過雷達的檢測原理即可確定，要保證測量的可靠性，必需減少信號衰減，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，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，從而雷達物位計的測量精度也就越高。在實際運用中，脈沖式雷達物位計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。針對固體、粉末類介質(zhì)，且儲罐條件比較復(fù)雜的場合，在選擇高頻雷達的同時，應(yīng)采用大尺寸天線（例如拋物面天線）以提高測量精度。

由于外界雜波的干擾對普通非接觸式雷達的信號判斷及處理能力提出很高的要求，采用導(dǎo)波雷達或者增加導(dǎo)波管（液體測量）的方式較好地解決了微波傳輸穩(wěn)定性的問題。除此之外，因電磁波的回波時間不因介電常數(shù)的變化而變化，僅為信號強度有差，所以導(dǎo)波式測量是低介電常數(shù)介質(zhì)物位測量的優(yōu)選方式。

連續(xù)調(diào)頻式雷達物位計，因其獨特的信號分析處理技術(shù)，具有高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和信號自動校準(zhǔn)等優(yōu)點，被視為是復(fù)雜條件物位測量的優(yōu)選方案，特別適用于極度粉塵并伴有高溫場合以及超低介電常數(shù)介質(zhì)的物位測量。精度可達±0.5mm，測量范圍可達100m。由于采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，物位計功耗較大（5～10W），為常規(guī)脈沖式雷達物位計的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，例如西門子SITRANS LR560等。

3.2 超聲波物位計

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

3.2.1 常見影響因素

所有外界因素，對超聲波信號而言，其最終的體現(xiàn)均為信號的衰減。常見的影響因素及其程度如表3。

3.2.2 測量范圍計算

超聲波物位計，與雷達物位計相比，因其聲波自身的物理特性決定，其測量范圍（一般不超15m）要小于雷達。在工程實際應(yīng)用中，通過分析外界因素對信號的衰減影響，比較物位計理論測量值，得出可實際應(yīng)用的測量范圍。以E+H Prosonic M FMU4x系列為例：

測量熱電廠渣倉料位，固體物料表面因素衰減約40dB，粉塵影響約10dB，假設(shè)無其余因素影響，查圖4，F(xiàn)MU43的可用測量約4.8m。若此量程能滿足工藝檢測要求，則可采用超聲波，否則需另選物位計。

3.3 特性比較

超聲波測量鑒于被測介質(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，信號修正困難。另外，超聲波的發(fā)生是通過壓電晶體的機械振動，當(dāng)外界壓力太大時會影響超聲波的產(chǎn)生，所以不可用于壓力較高或負壓的場合，通常只用在常壓容器。一般情況下，超聲波液位計使用溫度不可超過80℃，壓力需在0.3MPa以內(nèi)。而雷達受此影響不大，可以用在高溫、高壓工況下。

由于機械波易受傳播介質(zhì)的影響，能量衰減也相對較大，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，因此雷達物位計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)，使得其量程范圍進一步增大。

因雷達物位計對環(huán)境和介質(zhì)本身產(chǎn)生的擾動分辨能力更強，也就可以更好地消除干擾，使得其能更好地保證測量精度。相比而言，超聲波物位計因易受外界干擾影響，實際的測量精度較差。

3.4 選型應(yīng)用

在熱電廠中，物位的測量主要為煤、石灰石、渣、灰等固體或粉末類介質(zhì)，以及部分水、油、酸堿液態(tài)介質(zhì)，對于上述介質(zhì)的物位測量，分析雷達和超聲波物位計的原理和特點，選型如下：

（1）因雷達采用電磁波，不需要傳播媒介，可以應(yīng)用于真空工況。例如導(dǎo)波雷達，現(xiàn)被用于凝汽器熱井水位的測量，而超聲波則不適用。

（2）煤粉倉、灰渣庫等低介電常數(shù)并伴有粉塵的固態(tài)或粉末狀態(tài)物料，因聲波會有很大的衰減，所以一般不應(yīng)選用超聲波物位計。選用雷達時，應(yīng)選擇高頻雷達，并選用例如拋物面天線等此類的大尺寸小波束角天線。當(dāng)安裝條件允許時，也可采用纜式（小量程采用桿式）天線來降低介質(zhì)特性本身以及外界干擾對測量帶來的影響，但應(yīng)做好天線端部固定工作。

（3）對于液氨、濃鹽酸等易揮發(fā)或擴散形成霧氣的儲罐液位測量，或者是液面可能產(chǎn)生泡沫（例如循環(huán)水池）時，導(dǎo)波雷達將是很好的選擇，但需要注意儲罐的尺寸，若為小型儲罐，則建議采用高頻非接觸雷達+導(dǎo)波管的測量型式。

（4）針對高壓加熱器水位、汽包水位等高溫高壓且存在汽水共騰工況的液位測量，可選用高溫高壓型同軸導(dǎo)波雷達。同軸探頭，加上氣相補償、等時采樣等技術(shù)的應(yīng)用，使得在沸騰的腔體內(nèi)，雷達也能有穩(wěn)定可靠的讀數(shù)。西門子LG200、E+H FMP54等產(chǎn)品均已在電廠此類場合的液位測量中得到很好的應(yīng)用。

（5）由于雷達物位計產(chǎn)生高頻電磁波的電子電路相對復(fù)雜，使得產(chǎn)品價格較高。因此，在精度要求不是特別高或測量理想液面（例如平靜光滑的脫鹽水儲罐、點火油罐等液位）時，超聲波物位計就體現(xiàn)了很好的性價比。另外，若為統(tǒng)一選型，減少物位計的種類考慮，經(jīng)濟型低頻雷達也是較好的選擇方案。

4 結(jié)束語

雷達和超聲波兩種類型的物位計均是工業(yè)物位測量的良好解決方案，其選型應(yīng)用需根據(jù)過程工況、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)濟適用、更好的性價比是設(shè)計人員選型的重要依據(jù)，也是現(xiàn)代工廠精細化管理追求良好效益的基礎(chǔ)條件。

參考文獻

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作者簡介：馬海珊（1985-），女，工程師，現(xiàn)就職于中國聯(lián)合工程公司，從事熱電廠儀控設(shè)計工作。