量新技术及我国的物位仪表行业概况.docx
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量新技术及我国的物位仪表行业概况
物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况
一、 TOF物位测量技术
1． 原理
TOF（TimeofFlight行程时间或传播时间）测量原理，又称回波测距原理。
是非接触测距的一种方法，当前广泛应用于物位测量中。
其原理是：
安装在料仓顶部的探头向仓内发射能量波，当能量波传播到被测物料面上时，在物料面上反射并返回到探头上被接收。
波的来回传播时间就是距离的量度，并可以据之计算物位。
可以利用的能量波有机械波（声或超声波），电磁波（通常为K波段或X波段的微波），光波（通常为红外波段的激光）。
相应的物位计称为：
超声物位计、微波物位计及激光物位计。
2． 超声测量物位
利用超声来测量物位技术发展已很成熟，在工业工程中应用越来越广，液体、浆体、固态物料都能应用，应用的行业有：
冶金、电力、矿山、煤炭、水和废水、化工等行业，已成为物位测量应用中的一种重要手段。
近年来在技术上没有太大发展，近年推出的新产品主要在：
输出信号上增加现场总线接口（常用的有Hart,Profibus,F.F.等）；仪表的防护等级达到IP67/68，可以工作于更恶劣的环境；连接电缆有的可以不用专用高频同轴电缆，用普通双绞屏蔽线也可达360m长；价格也逐步走低。
固态物料（矿石、煤、谷类等）物位是超声波测量有优势的领域，应用量很大。
水和废水处理是另一个优势领域，主要是一体形超声液位计。
这两个领域，近几年内，仍应是超声物位计的主要市场。
因为应用已成熟，性能稳定可靠，而价格比微波液位计便宜。
3． 微波测量物位
3.1 概述
利用微波来检测物位是近年来发展最快的一种物位测量技术。
俗称雷达物位计，因为它是雷达（RADAR无线电检测与测距）技术衍化而来，正确的名称应是“微波物位计”。
和超声波（机械波）相比，微波（电磁波）的传播不依赖介质，故可使用于有挥发、高温及压力的工况；传播损耗小，量程大小对价格的影响不大；波速不受环境影响，故测量精度较超声物位计高，一般产品可达0.1％，精密级产品可达1mm绝对精度。
它可以解决许多超声波技术难以胜任的工况。
故应用发展很快，已成为物位测量中一种重要手段。
微波在空气中传播速度约为3×108m/s，与超声速度340m/s相比高了6个数量级，过程应用中物位量程一般为几米～几十米。
传播时间约为数十毫微秒数量级，要求测时精度约为微微秒数量级。
3.2 技术特点
微波物位计按结构可分为以下二类。
3.2.1 天线式（非接触式）
微波通过天线发射与接收，为非接触测量模式。
天线可以有各种类型：
绝缘棒、园椎喇叭、平面阵列、抛物面等。
绝缘棒天线通常用聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料制成，耐腐蚀性能较好，可用于强酸、碱等腐蚀性介质。
但微波发射角较大（约30°），并且边瓣较多，对于罐内结构较复杂的工况，干扰回波会较多，有时调试较复杂。
椎形喇叭天线的发射角与喇叭直径及频率有关（见表1）。
喇叭直径越大，发射角越小。
抛物面天线发射角最小，约7°，但天线尺寸更大，直径达Φ454，开孔尺寸要＞500mm，安装使用不大方便。
发射角小，微波能量集中，可测较远距离（或较低介电常数的物料，也能有较强回波），由于波束范围小，干扰回波少，可以测量较狭的料仓。
平面天线采用平面阵列技术（PAT），即多点发射源，与单点发射源相比，由于其测量基于一个平面，而不是一个确定的点，配合相应电子线路，可使微波物位计的测量精确度达±1mm，可用于储罐精密计量，主要用于计量级微波物位计。
表1锥形喇叭天线尺寸与波束角关系
微波频率
5.8GHzX波段
26GHzK波段
天线尺寸
Φ100
4″
Φ150
6″
Φ200
8″
Φ250
10″
Φ40
11/2″
Φ50
2″
Φ80
3″
Φ100
4″
波束角
32°
23°
19°
15°
23°
18°
10°
8°
3.2.2 导波式（TDR时域反射原理）
这种结构采用接触式的测量方法，微波物位计带有金属棒或柔性缆的导波杆，安装时从罐顶直达罐底，工作时，微波通过导波杆外侧向下传播，在碰到物料面时由于介电常数εr与空气不同，就会产生反射，并被接收。
根据波的行程时间即可测出物位。
这种方式虽然失去了非接触的优点，但它可以测量介电常数较低的物料（εr≥1.2），如液化气等，也可以测量粉状或颗粒状物料物位。
但是对于会在导波杆上积料的场合，应用会有问题，在大量程固态物料应用时，导波缆有时会被下降物料拉断。
微波物位计按使用微波的波形分类，可分为：
调频连续波（FMCW）、脉冲波及调频脉冲波三类。
早期的微波物位计都采用调频连续波方式，虽然其线路结构较复杂，成本较高，但因为微波的行程时间仅为毫微秒数量级，如直接测时间差，测时精度要达微微秒数量级。
在当时技术条件下难以低成本实现，调频连续波方式是测发射波与反射波的频差，易于实现。
90年代后期，高精度测时技术已很成熟，故这一阶段推出的微波物位计均采用脉冲法，直接测时，成为微波物位计中主要采用的方式。
调频连续波方式主要用于高精度的高端产品。
也有将这两者结合起来的调频脉冲波方式，脉冲波的载波是连续调频的，回波也是通过频差的方式来测量距离，而不是直接测时间，这样精度可以较高，主要用于精密型的液位测量。
3.3 应用
微波物位计在下列领域的应用中，技术上有优势。
3.3.1 高温、高压、腐蚀、带搅拌等复杂工况
沥青、酸碱罐、反应釜、主要在化工、石油化工等行业。
3.3.2 高炉炉料料位，高温融熔金属液位
这类工况被测物料温度较高，由于热辐射，物位计安装位置温度很高，故通常采用带弯曲延伸管的喇叭天线，电子部件在远离热辐射区域，不锈钢喇叭天线能耐受较高温度。
而微波的传播与反射不受温度影响。
（附图）
3.3.3 粉状、颗粒状料位
测量固态物料要用专用型号的微波物位计，其信号处理软件和测量液位的微波物位计是不同的。
粉状料位（电厂灰库、水泥厂均化库及成品库料位）一般采用气动输送，料仓中空间粉尘很大。
水泥均化库还从下部往上吹气，料面不是很清晰。
Siemens公司LR400微波物位计能很好应用于此类工况。
导波式微波物位计也可以用，价格会便宜些，但因为是接触式，安装及维护较麻烦。
3.3.4 大型储罐液位精密测量
原油、成品油罐、液化气、化工液体等液位测量，可本安或隔爆。
过程级的仪表测量精度可达3mm，计量级仪表可达1mm。
随着价格下降，微波物位计逐步成为该领域中主要仪表。
4． 技术发展趋势
4.1 工作频率向高端发展
目前大多数脉冲式微波物位计均采用X波段，频率为5.8GHz（或6GHz），调频连续波形采用10GHz左右频率。
如前所述，它的微波发射角较大，虽然通过采用大尺寸椎形天线或抛物面天线可以改善发射角，但体积大，要求开孔尺寸大，使用不方便。
同样锥形喇叭天线尺寸，采用的微波频率越高，发射角越小。
目前，高频的微波器件价格下降，已能在工业产品中大量应用。
故微波物位计发展趋势之一就是向高频发展，通常采用K波段26GHz（或24GHz）频率。
在发射角较原先改善的情况下，尺寸大幅度减小，安装使用都方便，而且由于微波能量集中，其量程可扩大到70m。
可以测更低介电常数的物料（εr≥1.4）。
Siemens,E+H,Vega等公司均推出了此类成品。
4.2 脉冲波原理向高精度发展
早期的脉冲式微波物位计测量精度为0.1％FS（10~20mm），新推出的采用26GH的脉冲式微波物位计，精确度可达0.05%FS或±3mm，在过程级仪表中已是很高的精度，在计量级微波液位计中，现推出了采用数字平面技术（DPT）的智能液位计，它是数字信号处理技术和平面阵列天线技术综合的产品。
它提高了信号噪声比，能判断虚假回波、蒸汽影响及其它因素，可以区分微弱的有效测量信号和较强的干扰反射信号，避免了由于仓壁反射干扰波对测量精度的影响，使测量精确度达到±1mm，满足了油品商业计量交接的要求。
如INRAF公司的SmartRadar。
4.3 向经济型发展（5.8GHz）
微波物位计另一发展趋势是：
简化结构、降低成本，向经济型发展与其它常规方法竞争通用的液位测量市场。
Siemens公司的SITRANSProbeLR微波物位计是这类产品的典型，采用PP材质绝缘棒天线，量程20m，二线制本安防爆，精度0.1％，价格比同量程超声液位计还便宜，而精度却更高。
成为一种常规的通用产品。
但是由于用的是5.8GHz频率，绝缘棒天线，仪表尺寸较大。
在5m以下小量程时，超声物位计体积较小，价格也低些。
5． 激光测量物位
激光物位计也是从激光测距技术衍化而来，技术上已成熟，也有产品推出了：
如SICK和K－TEK公司，但由于这种产品本身技术特点，在过程中应用有限。
因此生产的厂家很少，产品价格也高。
由于激光的光学特性，被测物料必须是不透明的液体或浆体，虽然说可以测量固体物料，但实用中问题很多。
因为激光波长很短，在固体物料的粗糙表面上，不易得到良好回波，而且深色的物料表面对光波吸收大，所以实用中也是测距上较多。
它的优点是波束狭（光束直径约50mm，波束角约0.15°），可以在很狭范围内传很远距离而不会受到干扰，量程最大可达350m。
为了保证在被测目标上可靠反射，可以在目标上贴上目标反射器（尺寸为25×25cm2或50×50cm2），以保证光束稍偏离正入射反射面也能得到可靠回波。
预计在近几年内，在过程物位的应用上不会有很大增长。
二、 我国的物位仪表工业
我国的物位仪表起步较晚，60年代才有专业的物位仪表厂，由于国内需求不旺，发展不快，规模都比较小，以生产机械型产品为主，几个国家定点大厂都逐步以流量仪表为主（如开封仪表厂，银河仪表厂）。
在88年8月，物位仪表行业协会成立时，约有20个成员单位：
包括了当时国内主要的物位仪表厂：
上海自仪五厂、北京自仪四厂、武汉二六五厂、辽阳自动化仪表厂、大连第五仪表厂等五个厂是会长及付会长单位。
国家“七•五”计划期间，自动化仪表行业掀起了技术引进高潮，物位行业只有三个厂引进了四个项目（上海自仪五厂引进了电容式物位开关制造技术、超声波物位计制造技术，北京自仪四厂引进了钢带液位计制造技术，铁岭光学仪器厂引进了高温双色玻璃板液位计制造技术），和同期流量行业有22个厂引进了24个项目相比，太少了。
因此当时物位行业在技术上提高不多。
随着国家进一步改革开放，经济的发展，自动化程度的提高使物位仪表需求猛增。
原有生产能力不能满足要求，国外产品大量进来（主要是高端产品），国内民营物位仪表厂很快发展。
在市场经济的大潮中我国物位仪表工业面临洗牌，原来物位行业协会中一些成员厂，有的破产、有的改制为民营企业、也有些改变了产品方向，但近年成立更多的物位仪表厂，有国外独资、合资，但更多的是民营厂，没有纯国营的厂。
据不完全统计，稍具规模的约七十余家，这些物位仪表厂分为三类：
1.外资或合资公司（见表二）
该类公司真正在国内生产的还是机械型产品。
如磁浮子、磁翻板液位计、浮球液位开关、阻旋开关等。
电子型液位计基本是组装，主要部件都是国外进口，安装法兰、外壳等机械部件在国内加工。
产品规格、性能都同国外产品，但价格加工较进口产品便宜。
主要是为了更好进入中国市场。
目前还未有以中国作为生产基地、出口返销的。
产权结构上，以独资为多，合资也基本上是外资控股。
该部份企业将是我国物销的。
产权结构上，以独资为多，合资也基本上是外资控股。
该部份企业将是我国物位仪表高端产品的主要供应商。
序号
企业名称
主要产品
2004年物位仪表销售额（万元）
1
上海凡宜科技电子有限公司
（台湾）
浮球液位开关、浮子液位计、磁翻板液位计、音叉、电容物位开关、数显表
3,100.00
2
上海信东仪器仪表有限公司
（港日）
电浮筒液位计、钢带浮子液位计、磁翻板液位计、浮子式、磁致伸缩液位计、浮球液位开关
1,400.00
3
上海柯普乐自动化仪表有限公司
（德中）
浮球液位计（开关）、磁浮子液位计、阻旋物位开关，压力式，电容式、超声物位计
1,400.00
4
上海恩德斯豪斯自动化设备有限公司（德国）
超声、微波、电容、音叉、静压、核辐射、重锤式等液位仪表
9,000.00
5
天津天威有限公司（中德）
超声、微波、电容、音叉、静压、核辐射
5,500.00
6
辽阳科林仪表有限公司（中日）
磁浮子液位计、玻璃板液位计、浮球液位开关
500.00
7
凯泰克（天津）物位有限公司
（美）
磁浮球开关、磁翻转液位计、磁致伸缩液位计、导波雷达液位计
3,500.00
8
承德科隆•热河仪表有限公司
浮筒液位计、钢丝液位计、液位开关
500.00
合计
24,900.00
2. 生产机械型物位计为主的民营公司
这类厂数量最多，规模大的，年销售额已达数千万元，规模小的仅几十万元，它们将面临优胜劣汰竞争，由于技术含量均不高，要长期生存必须要有规模，并要保证产品质量。
3. 生产自行开发的电子型物位仪表的民营公司
这类公司往往由技术人员领衔成立，生产自己开发的技术含量较高的电子型物位仪表。
从国际著名的物位仪表公司发展历史看，现在的跨国公司，大多是在50年代由技术人员创办的，自己开发研制了产品，然后成立公司制造产品，当时规模并不大，逐步发展壮大，成为跨国公司：
如E+H、KSR-Kuebler、Vega等。
这与物位仪表特点有关：
多品种、小批量，生产与应用的技术含量高。
企业的规模都不大。
在我国改革开放的环境下，现也有一批科技人员致力于研制开发产品，然后建厂生产属于自己知识产权的产品。
这类企业近三四年发展很快，生产的产品技术含量较高。
以射频电容物位计最多，超声物位计其次，还有磁致伸缩，微波式物位计等。
这类公司发展空间较大，因为这类产品技术含量较高，开发成本高而生产成本低。
国内需求很大，只要开发出的产品性能接近国外同类产品，国内生产的价格大大低于进口产品，就有很大的市场空间。
如去年在Miconex‘04展会上展出微波物位计的北京瑞普阿司克公司，今年已销售了600余台，明年预计1500台以上。
一体型超声物位计国内已有几家公司生产，价格约为进口产品的一半左右，去年估计已有数千台销量。
北京仪通鑫磊测控技术有限公司生产磁致伸缩液位计去年销售了2000台，主要用于加油站地下油罐液位测量及其它油罐液位。
性能接近国外产品指标，价格仅为其40％。
这类公司的关键是要在研发上下功夫，把产品真正做好，经受现场应用的考验，然后再在扩大生产时保证产品质量，就一定能得到很快发展。
成为我国物位仪表行业中的骨干力量。
三、 我国的物位仪表市场
基于我国物位仪表工业现状，我国过程自动化中所需的物位仪表相当部份还是靠进口，特别是微波、超声、磁致伸缩等高端产品，以及机械型产品中高压、高温及特殊材质产品，大部份还是靠进口。
我们统计了8个独（合）资物位仪表公司2004年的销售额共约2.49亿元人民币（表3）。
其中电子型产品大部份是原装进口销售，部份进口关键件，国内组装。
机械产品国内加工部分较多。
但由于电子型物位计价值高，总体上来看国内加工部分占销售额1/4~1/3，约7千万元。
表4统计了国外主要物位仪表公司（表3列出的除外）2004年的销售额。
13个公司总计约4.11亿元。
两者总计6.6亿元。
考虑到其它一些未统计到的公司，估计进口物位仪表总额约9亿元。
国内因小厂较多，而且变动较多，尚未有可靠数据，我们收录了约六十多家物位仪表厂的资料，由于大多生产机械型产品，价值低，加上未统计的，全国应有100多家，估计销售额最多7～8亿元，略小于进口产品销售额。
估计2004年中国物位仪表总销售额约16～17亿元。
2005年估计增长15～20％，约20亿元。
市场份额的分割状态，近几年不会有太大改变。
表3国外物位仪表产品在中国销售情况（已建立生产企业的除外）
序号
企业名称
主要产品
2004年销售额（万元）
1
Siemens（德）
超声、微波、电容、阻旋、音叉
6,300.00
2
EmersionProcessManagement（美）
微波
5,000.00
3
Hycontrol（英）
超声、微波
2,000.00
4
Nivelco（匈牙利）
超声、微波、电容、浮子、音叉
2,500.00
5
Flowline（美国）
超声、液位开关
1,000.00
6
Magnetrol（美国）
浮球式、微波、超声、电容、热导
5,000.00
7
AmetekDrexelbrook（美）
射频导纳、超声、微波
1,600.00
8
KROHNE（德）
TDR、微波
4,000.00
9
Solatronmobrey（英）
浮力式、超声、微波
1,500.00
10
Enraf（荷）
微波、伺服型
5,000.00
11
MTS（美）
磁致伸缩
1,500.00
12
K-M
超声、称重
700.00
13
SOR
浮力式、超声
5,000.00
14
Hawk（澳）
超声
15
FCI
热扩散式液位开关
16
P+F
超声、微波、浮力式、电容、音叉等物位仪表
物位测量技术发展及我国物位仪表工业概况
一、物位测量技术发展动向
1.微波物位计
微波物位计（俗称雷达物位计）利用回波测距原理，其喇叭状或杆式天线向被测物料面发射微波，微波传播到不同相对介电率的物料表面时会产生反射，井被天线所接收。
发射波与接收波的时间差与物料面与天线的距离成正比，测出传播时间即可得知距离。
由于微波是电磁波，以光速传播且不受介质特性影响，所以在一些有温度，压力，蒸汽等场合，超声物位计不能正常工作，而微波物位计可以使用。
在石油及石化领域有较广阔的应用前景。
微波物位计有两种工作模式。
（1）脉冲波方式：
其工作模式与超声物位计相似，天线周期地发射微波脉冲，井接收物料面回波，同时对回波信号进行分析处理，确认有效回波，据之计算物位。
精确度约为0.2—0.3%F.S.。
一般中档以下的微波物位计都用此方式。
原来生产超声物位计的厂家大多采用此方式生产微波物位计。
如：
Vega、E+H。
Siemens-Milltronics等。
（2）调频连续波方式（FMCW）：
天线发射的微波是频率被线性调制的连续波，当回波被天线接收到时，天线发射频率已经改变。
根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。
FMCW方式测量线路较复杂，价格较高，但测量精确度较高，可以达0.1%F.S.，甚至更高。
同时干扰回波也较易去除，一般较高端的产品都采用此方案。
微波物位计刚进入市场时，曾被寄予过高的期望，实用中发现局限性也很大。
普通的微波物位计要求被测物料为εr>4，精密型的可低至εr>2。
εr>2的介质因反射波微弱而不能稳定测量，而石化系统中有些介电常数εr低的介质，如：
液化气等，就得不到稳定的测量结果，必须加导波管来集中能量。
另外，大多数脉冲式微波物位计采用的微波频率为5.8GHZ，其辐射角较大，在储罐中除了液面回波外，还会产生其它干扰回波，使接收回波复杂，难以确认液面回波。
在卧式罐或拱顶罐内使用时，由于顶部会对反射波产生聚焦效应，形成多次回波，故不能安装在罐中心位置。
在测量固态物料时，更会产生各种干扰回波，故大多数微波物位计不能用于测固态物位。
针对这些问题，有的公司（如Siemens）开发了采用更高频率（24GHZ）的微波物位汁，其发射指向角小于10°，这样能量集中，不但能测得更远距离（45m），而且信噪比高，可以测量低介电率的介质（εr）1．7）。
由于内置了先进的回波处理软件。
可以用于测量固态物料物位，甚至可以测量粉状水泥的物位。
2.导波式微波物位计
导波式微波物位测量技术是微波物位计的一种变型，英文名称是TimeDomamReflectometry（时域反射法）或简称TDR，也俗称导波雷达，通常采用脉冲波方式工作。
与微波物位计不同点在于微波脉冲不是通过空间传播，而是通过一根（或两根）从罐顶伸入．直达罐底的导波体传播。
导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。
微波脉冲沿杆或缆的外侧向下传播，在被测物料表面上被反射、回波被天线接收，由发射脉冲与回波脉冲的时间差即可计算出传播距离。
它可以测量的范围包括液体和固体的物位，以及非导电液体与导电液体的分界面。
双杆（缆）及同轴管式导波体由于电场能量集中，易受外部结构影响，可以测量较低介电常数的介质（ε）r1.5）。
但在杆之间（或管内部）容易积料，积料上会产生虚假回波，故主要用于液体介质。
单杆（缆）式可以用于液体介质，而且因为不易积料，也可以用于粉状或颗粒状固态物料。
导波式微波物位计虽然丧失了非接触的优点，但在下列应用领域有其独特优势：
（1）低介电常数的液体，如：
液化气、轻质汽油等。
如果用普通微波式液位计，因其介电常数低，反射信号弱导致不能稳定工作，也必须加导波管来集中能量，一样是接触式。
而导波式价格低，工作更稳定，安装也方便。
（2）同时测量油罐中的油位及油—水界位或类似场合。
但必须注意，上层液体必须是非导电的，下层液体必须是导电的或介电常数较大的。
（3）测量固态物位，特别是粉状物位或介电常数很低的塑料粒子（如聚乙烯）的物位。
与超声波及微波物位计相比，工作稳定可靠。
（4）高温、高压的液位测量。
如锅炉汽包及加热器水位。
这种高温、高压同时存在的场合能解决的手段不多，通常是用浮筒液位计（电动或气动）。
但由于有活动部件，工作可靠性受影响。
现导波式微波物位计已能做到耐高压34.5MPa（在20X2时）。
同时耐高温高压的可达到200℃（在29MPa时），及450℃（在13.5MPa时）。
由于其探头部分就是同轴金属管，所以结构简单，价格低，对电子式浮筒液位计形成了很大竞争。
虽然导波式微波物位计是接触式的，但价格较低，又有上述优点，所以也作为一种受欢迎的测量方法得到发展。
生产厂家也逐渐增多，有KROHNE、E+H、Magnetrol、K-Tek等。
3.超声物位计
超声波测量物位主要利用回波测距原理，技术发展已较成熟，应用也积累了很多经验。
近年来的主要发展是增加通讯功能，特别是各种现场通讯协议的选项，如：
Profibus-DP．A—B公司的RemoteI／O、ModbusRTU、Devicenet，还能通过调制解调器经过电话线远传，价格下降，加速了普及。
超声物位计应用有优势的领域是：
块状、颗粒状及粉状的固态物位测量。
这些领域中超声波是首选的技术。
冶金、矿山、选煤、建材、电力等工业都有大量料仓，超声波非接触的测量方法比传统的重锤探测式不但安装方便．工作可靠、维护量少，价格也有竞争性。
经过多年应用后，国内电厂及选煤厂输煤系统中煤仓料位几乎都使用超声物位计。
干式气柜等大量程位置测量，又有防爆要求的，也是超声波占优势的领域，最大量程达90m（如上海真如煤气站）。
随着对环境保护的重视，污水处理项目增多。
一体型超声物位计以其使用方便、工作可靠、价格也低廉而得到越来越广泛的应用。
还开发了专用于环保行业的有多种功能的超声物位计，如：
能对集水井中多达五个泵进行控制，并可计算泵送体积根据不同时间电费率的不同来控制泵经济运行；能检测隔栅前后液位差；能检测明渠流量。
所以在国内，超声物位计也成了污水处理中的首选物位仪表。
3.大型储罐液位精密测量
石油和石化系统有大量储罐需测液位，并且据之计算库存，精确度要求高（±1—2mm），量程大（15m或更高），形成一个专门的需求领域。
以往，用得较多的是钢带浮子液位计，它是用恒力弹簧来平衡浮子重力的自力式浮子液位计，除了就地指示外，还可将液位信号电传，精确度约2—3mm，不能达到计量级的要求（1mm），一般用于监控或内部结算。
这类产品应用已有五十
升级会员 