导波式微波物位计的原理及应用.docx

1、导波式微波物位计的原理及应用导波式微波物位计的原理及应用一、概述：利用徹波来测量物位，是回波测距法或渡越时间法（Time of Flight,简称T0F）中的 一种。是近年来发展最快的物位测量技术。是利用被测物料面对所发射微波的反射来测量物 料面位置，类似于雷达（Radar）,故俗称雷达物位计。2007年微波物位计在全球的销售额约为亿美元，年增长，是连续物位计中增长最快的, 已进入产品的生命成熟期。近年推出的产品采用的微波频率更高（K波段，24、26GHz）无线 尺寸更小（喇叭天线直径可小至40）。测量精确度也更高（一般可达到%F*S）并且已有电 池供电，无线通讯的微波物位计推出。微波物位计在

2、结构上可以分为两大类：1.天线式（或称自由空间雷达Free Space Radar）2.导波式（或称导波雷达Guided Wave Radar）早期天线式微波物位计发展较快，因为它是用天线向被测物料面发射微波，接收回波并 计算距离来换算物位高度。微波在物料面上部的自由空间传播，被测物料和仪表部件是非接 触的，安装使用均方便。而且澈波受传播介质特性及环境的影响较超声波小的多，故发展很 快。但在使用中发现在以下场合，天线式微波物位计并不能很好的工作：1.2.被测物料介电常数较低（r rl）的差别，部分微波能量进入被测物料继 续传播，部分徹波能量反射，并沿原路径返回.反射量的大小取决于两者介电常数的

3、差别，相 差越大，反射角越大，由于微波是沿波导外侧一个小区域中传播，能量不扩散干扰回波少，故 即使被测物料介电常数较低，微波反射能量较少，也能接受到信/噪声比好的回波，可靠测量 到物位。早期的天线式徴波物位计大多采用（频域测量）用调频连续波（FMCW）方式，测量的是 发射波与庾射波的频率差，导波式是采用脉冲方式，测量的是发射波与反射波的时间差（时 域测量）。随着技术发展，现在天线式微波物位计大多数釆用脉冲波方式，测量时间差。生 甚至连频率也相同，两者已无多大差别。但由于历史习惯，凡国外文献中提到TDR原理或技 术，往往是来指导波式微波物位计。导波式微波物位还能同时测量分层液位的液-液分界面位置

4、，如油-水界面。条件是下层 液体的介电常数要比上层液体介电常数大5倍或更多，或上曾是绝缘介质，下层是导电介质。 澈波脈冲在第一层液面上反射部分能呈后，进入第一层液体的微波在传播到第二层液体分界 面时，大部分反者回去并穿过第一层液体液面，传播回发射器。这样，当发射一个微波脉冲 后，会先后收到两个反射回波。根据这两个回波的不同时间差，可以计算出两层液体的液面 位置。三、等效时间取样（ETS）技术TDR用于电缆断点定位时，由于断点距离往往是几公里或更远，定位精度也不需要很高, 而用于物位测量时，距离要小得多最多是数十米，而微波以光速传播，故时间差是很小的， 如以量程20m的储罐为例，微波脉冲往返一次

5、的时间约为133ns,实实际那测量这么小的时 间差并且达到足够精度（%F*S）是困难的。在应用TDR到物位测量中，等效时间取样或ETS 技术是关键，它能处理高速，低功耗的电磁脉冲群。当采用连续发射脉冲群时，每个发射脉冲都可以得到一个回波。故脉冲波形是多次重复的ETS技术实时捕捉这些微波脉冲，并以扫描取样方式在每个周期中取一小段，并且顺时 延后取样时间，每次扫描采集多达几万个取样点，将这些取样点重新组合成一个波形，其形 状和单个波形是一样的，但周期扩大了，例如上面例子，可以通过等效时间取样方式，重建 一个一样形状的回波曲线，但发射波与接收波之间时差为200ms。这样的时间差和超声物位 计所检测的

6、时间差是相同数量级的，是非常容易测量的，而且其后的回波处理也可借用超声 物位计的处理软件。Coaxial Steam Probe四、探头（波导体）的结构种类导波雷达与自由空间雷达的最大差别是，后者徴破是在自由空间传播，而前者是沿导波 体传播，所以必须有导波体，我们通常称为探头。其形式上与电容式物位计探头相似，其长 度必须覆盖整个测量量程。探头结构形式决定其基本性能，常用的探头有三种形式。同轴式、 双杆式、单杆式。每种都有特定的优点及局限性，因此应用时选型是很重要的。（1） 、同轴式探头同轴式探头是所有结构中最有效的并且在所有应用场合中应该首先考虑的。其结构如图（2）所示，由一根金属棒及一根金属

7、圆管同轴安装而成，微波脉冲在棒和圆管内的空间传 播，由于微波传播的电磁场完全被封闭在金属外套管和金属棒之间，能量不扩散，也不会受 到外界电磁场影响，所以传播效率高，即使对介电常数极低（er=）的应用场合，液面反 射信号很小，也能较好地传播及被接受，讯橐比高，所以可以适用的介电常数下限最低（约 er=）,但是管内壁挂料或积垢会产生干扰回波，造成测量不可靠，一般应用于清洁液体。 由于结构上的限制，其最大量程约为6m。同轴式探头为了适应不同工况，其探头机械设计 是不一样的，选型时要问清工况，表（1）列出了同轴式探头的不同型号及其应用时的注意 要。表（1）（2） 、双杆式探头双杆式探头由两根平行的金属

8、杆组成，与同轴式探头之间的差别类似于电视机旧式平行 双芯天线引入线与现代同轴电缆之间的差别。平行双芯电缆没有同轴电缆传输效率高，双杆 式的灵敏度也不如同轴式探头灵敏度高，所以这种结构的探头可以测量最低介电常数er20探头的结构及电磁场如图（3）所示，电磁场不仅在两杆之间形成，还向外扩展，可以 如果附近有金属导体靠近，会产生影响。双杆式探头开放式的设计方案使在探头上挂料的影响较小，但两杆之间物料搓挤，或在 隔离器上结垢会导致测量异常。也可以用柔性金属缆组成双杆式探头，长度可达35叫表II是列出了双杆式探头的不同 型号及其应用时注意点。液体、散状固体料位都可应用。Dual Rigid RodPro

9、be seiIntooductionFaaturesProbe ID 7xB 7ML1302-1 xxxx-xxxxTwo 12.5mm (0.5 inch) parallel rodsGeneral purpose probe, dk 1.9-3” (80mm) or larger chamberVrscosrty 10o介电常数过低因反射信号弱不能可靠工作。但对探头上挂料及结垢不敏感。对于挂料的场合，可选用带PTFE涂层的 探头，既能耐强腐蚀，又能防黏附。使用范围广。另外，由于其电磁场是开放的，故测量受物体接近能度影响较大。如果使用时靠近金属 護壁安装，与之平行的金属壁相当于平行的另一根杆

10、，所以微波脉冲的发射与传播效率都可 提高。同时其他金属物体（管道、横梁等）靠近探头位置时，也可能被当作物位而产生反射波。Single Rigid RodIntroductionFeaturesSomething newApplicationsSet upCompactionSlos ToolsProbe ID 7xF 7ML1303-xxxxx-xxxxSolid 12mm (0 5 inch) roddk 1 9 when used in chambers oc close to sidewalls of vessel (50 to 150mm) (2* to 6U) Outside the

11、se conditions dk 三 10A2.D f SC fP32High Viscosity applications, ( 10,000 cp)Immune to high dielectric build-up* High Pressure/Temperature options (316 C 165 Bar (605 F 2400 psi)Rigid probes to 6 1m (20 feet) 316L Stainless Steel standardHastelloy C/Monel options availablePFA coating optional (7ML130

12、3-1JHE)Sanitary process connectionsNcrmtief 200? Semew Mtocnu五、性能特点及选型要点：1,导波雷达有以下特点：（1） 低功耗，24VDC,两线制回路供电，420nvDC/Hart输出（2） 液体，散状固体都能测量，量程可达22.5m,精度0o 1%FS（3） 能同时测量分层液体的液面及液-液界面，量程大6m（4） 探头高温可耐427C,低温可耐-195C高压可耐43Mpa,真空也可应用（5） 独特的探头结构可应用与特殊工况，如高温高压蒸汽，液-液截面，满罐 测量，卫生场合等（6） 比重，介电常数等物理参数变化不会影响测量精度（7） U

13、） 能测量介电常数低达的物料物位（如丙烷、乙烷）（9） 有本安、隔爆、组燃等多种安全认证。2,以上宽范围的工况，并不是一种型号的探头能满足的，从前叙探头结构的列表中可 以看出，每种探头的规格参数的性能是不同的，所以选型时主要是选择探头的型号，必须考 虑以下几点：（1） 被测物料的介电常数（2） 被测物料的量程（探头长度必须覆盖整个量程）（3） 过程压力及温度（4） 被测过程有否水蒸气等（5） 探头接液材质的化学兼容性，是否有积料（6） 安装状态：主管尺寸，顶部净空（7） 在固态物料应用时，要考虑探头可能受到的拉力。3,安装时的注意点;（1）,立管在金属容器上通常通过安装立管来安装探头。同轴式探

14、头对安装立管无特殊要求，单 杆式和双杆式探头对靠近金属物体敏感，所以单杆式要求立管直径A22 （50mm）,双杆 式要求AM3 （80mm）。两者都要求立管直径A与立管长度B之比A/B21,如果无法满足后 面条件，则调整时需对灵敏度和盲区进行调整。另外，不可采用大小头安装（见图）。Installation Considerations（2）,金属障碍物如前所述，对于单杆和双杆式探头，微波脉冲传播时，在杆的周围有电磁场，所以特别 是单杆式探头如果在电磁场的范围内有金属物体，就会产生反射波，会产生错误读数。故安 装时要注意避开金属障碍物（见表）。表：障碍物允许的障碍物离探头的距离连续，平滑平行的导

15、电表面（如储罐壁）。探头允许碰到壁鼻150mm1（25）直径的管子及横梁，梯子2300mm3（80）直径的管子和横梁，混凝土墙400mm（3）探头底部绝缘固定探头的底端应该是稳定的，不允许扰动，否则会带来测量误差，有一种TFE （四氧乙 烯）底部绝缘固定件，可用于固定探头底端，并避免探头与金属罐底相接触。单杆式探头的金属罐内安装时，如果能靠近鏤壁安装，探头与罐壁平行，且不接触， 则謹壁相当于另一电极，和双杆式类似。徴波传播效率会增加，可以测量较低的介电常数的 物料。（dk）Installation ConsiderationsProbe sotaiIntroductionFeituresApp

16、McottonsSet upLAurxh plate |toyk1os ldjl pop4iatonCompetition Sales ToolsIf installations wil occur in open or ncrvmetaliic vessels, a suitable launch plate ts required for optimum perform合neeIf using a single red verson and a threaded process connection, a steel plate will enhance performanceA flan

17、ge connection would be a better solutionF“C anpHrd alM r metaic cr be used n $ M昭 r RS】B23hossta MD?3cmjrsMrcnc2AAD6C/PS2(4)非金厲罐的安装在非金属罐内安装时，因为没有金属耀体作接地电极，微波发射效率会降低，建议用 法兰方式安装，或用螺纹安装时安装一块金属圆板(见图6),这样可以得到较理想的徵波 发射和接收。六典型应用实例Applications in key industriesIntroducttonFaaturQsProbe xolcdSomething nIdal

18、for horlzomai cylindersApplicationsSetupCompetitionSais ToolsApplications with tam; Applications with ammonia“曲阿 2007Moasuromtint in sido pipos/bypassApplK3tlons VAtti turtulerKQOS2量程:20m压力：大气压温度:2or探头选型：7ML1302-2,柔性双杆式探头，专用于轻质散状固体料位测量评述：塑料粒子由于介电常数较低，用自用空间雷达，反射讯号弱，如采用高频（26GHz）,大 量程（lOOmf程）虽也可以测量，但价格

19、高，采用导波雷达，工作更可靠，价格也低很多。 由于塑料粒子轻，和探头磨损及拉力均不影响，是较合理的选型。Sitrans LG200 Test Site2,界面测量同时读出上层液面及液-液分界及位置 使用7ML1301-6同轴式探头，长度 回路供电的变送器通过HART通讯 输出液面及界面信号上层液体dK二5,底层液体dk15 使用于淸洁液体及清晰的液-液分界面评述:可以用一台仪表同时测量液面及界面，安装使用方便且节约成本，而且可用于有爆 炸设备危险场合。Door Opener Applications for Siemens3,锅炉汽包液位测量可用于锅炉汽包及电动锅炉的低压及高压加热器采用HT/

20、HP蒸汽型同轴式探头，量程最大6.1m在压力下最高可耐温343X：带蒸汽波速补偿算法，补偿蒸汽dk变化的影响是扭力管式电浮简液位计的升级换代产品评述：锅炉汽包及高压加热器是同时具有高温，高压及蒸汽的特殊工况。传统用扭力管型 电浮简液位计测量，由于有活动部件，并且需实物标定，维护成本高，导波式雷达液位计无 可动部件，不需标定，安装使用方便。特别对于原来用电浮简液位计的厂家，更换时可利用 原旁通管，选用同型号法兰，即可将导波式雷达液位计直接安装在原有旁通管上直接使用。Key Application - Displacer Replacer Sitrans LG200 has the option

21、of proprietary flanges used by the major displacer manufacturers. This allows a very easy retrofit of aging hlg maintenance displacers Main manufacturers-Ftsher (Emerson company)-MasoneilanSetupComplonSi*s ToosSet Up & Display同轴式探头(7ML1301-1)同轴式HT/HP探头（7ML1301-2）同抽式HP探头（7ML1301-3）同轴式/液位满 罐型探头(7ML130

22、1-4)推荐的应用：一般应用：清洁， 低黏度液体200。 C清洁，高压液体200 C溢出，iS度可达200 C 清洁，低黏度液 体不推荐的应用:挂料，泡沫挂料，泡沫,蒸汽挂料，泡沫，蒸汽挂料，泡沫接液部材 质选项316 L SS. TFE. Vitone GFLTHastelloyeC. Mone1e316L SS. Alumina.Borosi1i-cate InconelX750Hastelloy C. Monel316L SS. TFE.Boros i1icate. I neonelX750Hastelloy C. Monel316L SS. TFE. Viton GFLTHastell

23、oy C. Monel过程密封Viton GF-LT 0形圈sBorosi I icate硼硅酸盐Borosi 1 icate硼硅酸盐Viton GFLT 0 形圈杆/管直 径： 标准0 8 mm ）杆0 22 mm ）管0 8 mm ）杆 022 mm ）管0 8 mm ）杆 0 22 mm ，f ）管0 8 mm * ）杆0 22 mm ）管大口径0 15 mm ）杆0 45 mm ）管0 15 mm ）杆 0 45mm ）管0 15 mm ）杆 0 45mm ）管0 15 mm ）tf0 45 mm ）管过程连接螺纹： 标准% ” NPT. 1BSP2 NPT% ” NPT. ,f BS

24、P2，r NPTNPT. 1 BSP2，r NPT% npt. rBSP2 NPT大口径法兰ANSI(DIN)标准 大口径1to 4 (DN25tol00)2to 4(DN50tol00)1to 4 (DN25tol00)2to 4 (DN50tol00)1to 4 (DN25tol00)2to 4 (DNSOtolOO)$1to 4(DN25tol00)2to 4(DN50tol00)探头长度60to610cm(24to240)60to610cm (24to240，r )60to610cm (24to240，f )60to610cm(24to240)不稳定区：顶部25ran(l ) dk -

25、150mm(6 ) dk =80无25mm(l/f ) dk =150mm(6z/ ) 0 dk = 80无不稳定区：底部150mm(6 ) dk =25nm(rz ) dk二80150mm(6z/ ) Q dk = dk= 80150mm(6z/ ) Q dk =25mm(l ) dk二 80150mm(6 ) dk25ran(l ) dk=80最高过程温度150%：427X?200X?200X：最低过程 温度/深 冷-40X：e7MPa-195913貯8-195*C43MPa-40r7MPa最大过程压力7MPa +20 C43MPa Q +20 0 C43MPa Q +20 0 C7MPa

26、 0 +20 0 C最小过程 压力/ 真空可以，非气密可以，气密(10 cc/secQlatmo-sphere)可以，气密(10 4cc/secQ1atmo-sphere)可以，非气密介电常数范围to 100to 100to 100to 100最大黏度 (cp) 标准大口径5001500500150050015005001500挂料/结垢不可以不可以不可以不可以泡沫不可以不可以不可以9不可以腐蚀性介质可以可以可以可以卫生型不可以不可以不可以不可以满嫌不可以可以不可以可以Viton is a registered trademark of Dupont Dow ElastomersHastelloy is a registered trademark of Haynes Internationa1.Kalrez is a registered trademark of DuPont Dow ElastomersMonel is a registered trademark of S