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發(fā)布時(shí)間：2024-09-07
液位是工業(yè)過程監(jiān)控的重要目標(biāo)參數(shù)之一。在各種罐體、料倉(cāng)、水池等的連續(xù)液位測(cè)量中，由于現(xiàn)場(chǎng)工況的多樣性，很難有一款能滿足所有工況的液位儀表。
其中，在非接觸式測(cè)量?jī)x器中，雷達(dá)和超聲波液位計(jì)被廣泛使用。那么，雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)有什么區(qū)別呢？?jī)蓚�(gè)測(cè)量原理是什么？雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有哪些？
今天，就這些問題，我就給大家講解一下這兩個(gè)水平儀。
超聲波液位計(jì)
我們一般把聲波頻率超過20kHz的聲波稱為超聲波。超聲波是機(jī)械波的一種，即機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程。其特點(diǎn)是頻率高、波長(zhǎng)短、衍射現(xiàn)象小。方向性好，可以成射線，定向傳播。
超聲波在液體和固體中的衰減很小，所以穿透能力強(qiáng)，尤其是在不透光的固體中，超聲波可以穿透幾十米長(zhǎng)，遇到雜質(zhì)或界面會(huì)有明顯的反射.物質(zhì)層面就是利用了它的這個(gè)特性。
在超聲檢測(cè)技術(shù)中，無論是哪種超聲儀器，都需要將電能轉(zhuǎn)化為超聲波，然后再將其接收回來，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。完成這一功能的裝置稱為超聲波換能器，也稱為探頭。
工作時(shí)，超聲波換能器置于被測(cè)物體上方，向下發(fā)射超聲波。超聲波穿過空氣介質(zhì)，遇到被測(cè)物體表面時(shí)被反射回來。它被換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電子檢測(cè)部分檢測(cè)到該信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為料位信號(hào)顯示輸出。
雷達(dá)液位計(jì) 與超聲波液位計(jì)相同的工作方式，雷達(dá)液位計(jì)也采用發(fā)射-反射-接收工作方式。不同的是，雷達(dá)超聲波液位計(jì)的測(cè)量主要依靠超聲波換能器，而雷達(dá)液位計(jì)則依靠和天線。
超聲波液位計(jì)使用的是機(jī)械波，而雷達(dá)液位計(jì)使用的是超高頻（幾G到幾十G赫茲）的電磁波。電磁波以光速傳播，傳播時(shí)間可以通過電子元件轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)。
另一種常見的雷達(dá)液位計(jì)是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是一種基于時(shí)域反射（TDR）原理的雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探頭傳播。當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)將液位計(jì)的部分脈沖反射形成回波，并沿同一路徑返回脈沖發(fā)射器。變送器與被測(cè)介質(zhì)表面的距離與脈沖的傳播時(shí)間成正比，從而計(jì)算出液位。
影響超聲波液位效應(yīng)的因素 傳感器發(fā)出的超聲波碰到被測(cè)介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射回波的好壞反映了物位計(jì)的應(yīng)用效果。 回波質(zhì)量定義為最小回波幅度（最差條件下的回波幅度）到噪聲幅度（虛假回波、多徑反射回波等的幅度）。回波質(zhì)量值越大，電平表的應(yīng)用效果越好。
1、傳輸介質(zhì)越穩(wěn)定越好傳輸 超聲波是一種機(jī)械波。機(jī)械波在傳播過程中受傳播介質(zhì)穩(wěn)定性的影響。例如：有一池水。風(fēng)平浪靜的時(shí)候，往池塘里扔石頭，就能看到水波蕩漾。大風(fēng)吹得池水泛起漣漪，往池里扔一塊大石頭，幾乎看不到水波。
引起空氣波動(dòng)的因素有很多，如：灰塵、氣浪、蒸汽、物料流等都會(huì)引起空氣波動(dòng)，降低回波質(zhì)量，影響測(cè)量結(jié)果。
2、被測(cè)介質(zhì)表面越光滑，聲阻抗越大，越有利于反射回波
測(cè)量固體時(shí)，被測(cè)表面是不平整的，具有一定的休止角。這種情況下的反射波是漫反射波。由于反射與波長(zhǎng)有關(guān)，因此只有當(dāng)反射表面的尺寸與波長(zhǎng)相當(dāng)或大于波長(zhǎng)時(shí)才會(huì)發(fā)生反射。
顯然，工作頻率越高，波長(zhǎng)越小，對(duì)于更小的材料，更容易發(fā)生漫反射。例如頻率為10kHz的機(jī)械波在空氣中的波長(zhǎng)
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料位是水泥行業(yè)生產(chǎn)過程中的主要測(cè)量參數(shù)之一。與其他行業(yè)不同，在水泥行業(yè)，主要是固體物料的料位測(cè)量，很少有液位測(cè)量。固體物質(zhì)有塊狀、顆粒狀、粉末狀等多種類型。這些材料的介電常數(shù)、體積密度、溫度和水分含量也不同。接觸式測(cè)量是以往測(cè)量料位的主要手段，如電容式、重錘式、音叉式、電阻旋轉(zhuǎn)式等測(cè)量方式。由于測(cè)量時(shí)儀器與物料是接觸的，所以在使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種問題，如電容器的掛料；重錘的破錘和埋錘；音叉的堵料等，日常維護(hù)量很大。到20世紀(jì)90年代，水泥行業(yè)開始使用非接觸式物位測(cè)量。較早成熟的非接觸式測(cè)量技術(shù)有超聲波技術(shù)和核輻射技術(shù)（γ射線）。核輻射技術(shù)因其放射源而在應(yīng)用上受到限制。限制。
超聲波技術(shù)近年來發(fā)展迅速，是目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測(cè)量方法，尤其是在液位測(cè)量方面。水泥廠超聲波物位測(cè)量已廣泛應(yīng)用于原料調(diào)配庫(kù)、原煤庫(kù)、熟料庫(kù)等，但超聲波必須借助介質(zhì)傳播。空氣溫度、濕度、元件等的變化都會(huì)影響超聲波傳播速度，空氣中的灰塵也會(huì)使超聲波傳播信號(hào)衰減；目前的超聲波物位測(cè)量?jī)H用于測(cè)量塊狀或顆粒狀物料。對(duì)于粉倉(cāng)料位的測(cè)量，由于卸料時(shí)粉倉(cāng)料位表面非常松散，超聲波信號(hào)衰減較大，因此目前尚無粉倉(cāng)料位測(cè)量成功的先例。
20世紀(jì)90年代后期，在過程檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了一種高性能、格的微波液位計(jì)，即雷達(dá)液位計(jì)。所謂微波，就是頻率范圍為300MHz～300GHz，微波傳播速度為3×108m/s的電磁波。如果頻率設(shè)置為5.8GHz，大氣中的波長(zhǎng)約為52mm，其穿透力強(qiáng)，傳播速度不受粉塵、蒸汽和介質(zhì)成分的影響，傳播衰減很小；除電常數(shù)ε>1.8外，材料的溫度、壓力和密度幾乎不影響其準(zhǔn)確測(cè)量；現(xiàn)有雷達(dá)液位計(jì)的天線設(shè)計(jì)和外形保證了回波的能量；此外，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也非常簡(jiǎn)單。通過專用軟件，可以快速找到正確的回波并立即轉(zhuǎn)換為電平值。由于與超聲波液位計(jì)相比具有更優(yōu)越的性能，近年來，雷達(dá)液位計(jì)迅速、大批量進(jìn)入過程檢測(cè)儀表市場(chǎng)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在水泥行業(yè)中，液位測(cè)量領(lǐng)域幾乎被雷達(dá)液位計(jì)占據(jù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來，近90%的大型水泥廠、粉磨站的各種庫(kù)房、庫(kù)房都采用了各類雷達(dá)物料。該位置計(jì)也已成功應(yīng)用于云南紅塔滇西水泥公司3條水泥生產(chǎn)線的8個(gè)水泥倉(cāng)，與其他儀表組成一個(gè)新的FCS系統(tǒng)。
雷達(dá)料位測(cè)量原理及主要技術(shù)因素
雷達(dá)液位計(jì)利用回波測(cè)距原理。發(fā)射天線向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射微波，接收天線接收被測(cè)目標(biāo)的微波。信號(hào)處理器將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算測(cè)量距離，并計(jì)算出相應(yīng)的電平值。
微波脈沖傳播時(shí)間t由下式確定：t= 2a/c (1)
式中：a——天線到待測(cè)目標(biāo)的距離；c——微波傳播速度（光速）。
由于微波在傳播路徑上存在衰減和干擾反射，因此測(cè)量的關(guān)鍵是能否接收到反射回波并識(shí)別出有效回波。接收到的回波能量Pk可以用簡(jiǎn)化的雷達(dá)方程表示如下：Pk=PτxCxGiGtGr/r4 (2)式中：Pτ——天線輻射功率；C——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)決定；Gi——由介電特性和目標(biāo)表面面積決定的反射增益；Gt、Gr——天線發(fā)射和接收效率；r——天線與目標(biāo)之間的距離。
由式（2）可知，接收到的回波能量與天線的發(fā)射和接收效率以及天線的輻射功率有關(guān)，因此雷達(dá)物位計(jì)的天線設(shè)計(jì)和形狀很關(guān)鍵，現(xiàn)有天線除了喇叭天線（喇叭口）棒狀天線外，還有平面天線和拋物面天線。對(duì)于介電常數(shù)小的材料，采用電纜作天線或安裝波導(dǎo)。電纜和波導(dǎo)延伸到倉(cāng)庫(kù)或倉(cāng)庫(kù)的底部。傳輸發(fā)送和接收的電磁波，增強(qiáng)回聲
