導(dǎo)波式微波物位計(jì)的原理及應(yīng)用.doc

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1、導(dǎo)波式微波物位計(jì)的原理及應(yīng)用一、概述：利用微波來測量物位，是回波測距法或渡越時間法（TimeofFlight,簡稱TOF）中的一種。是近年來發(fā)展最快的物位測量技術(shù)。是利用被測物料面對所發(fā)射微波的反射來測量物料面位置，類似于雷達(dá)（Radar），故俗稱雷達(dá)物位計(jì)。2007年微波物位計(jì)在全球的銷售額約為3.88億美元，年增長10.3%，是連續(xù)物位計(jì)中增長最快的，已進(jìn)入產(chǎn)品的生命成熟期。近年推出的產(chǎn)品采用的微波頻率更高（K波段，24~26GHz）無線尺寸更?。ɡ忍炀€直徑可小至Φ40）。測量精確度也更高（一般可達(dá)到0.1%F*S）并且已有電池供電，無線通訊的微波物位計(jì)推出。微波物位計(jì)

2、在結(jié)構(gòu)上可以分為兩大類：1．天線式（或稱自由空間雷達(dá)FreeSpaceRadar）2．導(dǎo)波式（或稱導(dǎo)波雷達(dá)GuidedWaveRadar）早期天線式微波物位計(jì)發(fā)展較快，因?yàn)樗怯锰炀€向被測物料面發(fā)射微波，接收回波并計(jì)算距離來換算物位高度。微波在物料面上部的自由空間傳播，被測物料和儀表部件是非接觸的，安裝使用均方便。而且微波受傳播介質(zhì)特性及環(huán)境的影響較超聲波小的多，故發(fā)展很快。但在使用中發(fā)現(xiàn)在以下場合，天線式微波物位計(jì)并不能很好的工作：1．被測物料介電常數(shù)較低（εr＜2)2．在較狹小的空間內(nèi)測量3．在有很陡的安息角的固態(tài)物位測量4．高溫，高壓等工況導(dǎo)波式微波物位計(jì)是將時域反射測

3、量技術(shù)（TimeDomainReflectometry簡稱TDR），等效時間取樣技術(shù)（EuivalentTimeSampling簡稱ETS）和微功耗電路的結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型測量儀表，由于用于物位測量的TDR也采用C波段的6GHz微波頻率，故也歸類于微波物位計(jì)的一類，只是微波是通過波導(dǎo)傳播。它雖然喪失了非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，但能應(yīng)用于上述困難工況，并且價格比傳統(tǒng)的微波物位計(jì)低得多，故近幾年得到較大發(fā)展。二、TDR測量原理及技術(shù)要點(diǎn)：時域反射原理技術(shù)（TDR）在電力、電訊等行業(yè)中應(yīng)用已有多年，用來找出電纜或電線的斷裂點(diǎn)或短路點(diǎn)。沿電纜（線）發(fā)射一個電磁波脈沖，它在金屬導(dǎo)體外側(cè)往前傳

4、播，在遇到金屬導(dǎo)體斷裂、短路時，電磁波會返回。由于電磁波是以光速傳播，故根據(jù)接受到回波的傳播時間，可以準(zhǔn)確確定斷裂點(diǎn)位置，以便維修。TDR技術(shù)應(yīng)用于物位測量時，要用金屬波導(dǎo)體來作為電磁波的傳播導(dǎo)體，其原理如圖（1）所示，一根金屬波導(dǎo)體自容器頂部伸入，直達(dá)底部，覆蓋整個物位量程。被測物料（液體或散狀固體）埋住部分波導(dǎo)體，通常采用脈沖式工作方式，采用C波段的6GHz左右微波頻率，從頂部定期發(fā)射微波脈沖沿波導(dǎo)體外側(cè)向下傳播，當(dāng)傳播到介電常數(shù)的突變點(diǎn)（物料面）時，根據(jù)空氣（εr=1）與被測物料面介電常數(shù)（εr>1）的差別,部分微波能量進(jìn)入被測物料繼續(xù)傳播,部分微波能量反射,并沿原路徑

5、返回.反射量的大小取決于兩者介電常數(shù)的差別,相差越大,反射角越大,由于微波是沿波導(dǎo)外側(cè)一個小區(qū)域中傳播,能量不擴(kuò)散,干擾回波少,故即使被測物料介電常數(shù)較低,微波反射能量較少,也能接受到信/噪聲比好的回波,可靠測量到物位。早期的天線式微波物位計(jì)大多采用（頻域測量）用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）方式，測量的是發(fā)射波與反射波的頻率差，導(dǎo)波式是采用脈沖方式，測量的是發(fā)射波與反射波的時間差（時域測量）。隨著技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在天線式微波物位計(jì)大多數(shù)采用脈沖波方式，測量時間差。生甚至連頻率也相同，兩者已無多大差別。但由于歷史習(xí)慣，凡國外文獻(xiàn)中提到TDR原理或技術(shù)，往往是來指導(dǎo)波式微波物位計(jì)。導(dǎo)波式微

6、波物位還能同時測量分層液位的液-液分界面位置，如油-水界面。條件是下層液體的介電常數(shù)要比上層液體介電常數(shù)大5倍或更多，或上曾是絕緣介質(zhì)，下層是導(dǎo)電介質(zhì)。微波脈沖在第一層液面上反射部分能量后，進(jìn)入第一層液體的微波在傳播到第二層液體分界面時，大部分反者回去并穿過第一層液體液面，傳播回發(fā)射器。這樣，當(dāng)發(fā)射一個微波脈沖后，會先后收到兩個反射回波。根據(jù)這兩個回波的不同時間差，可以計(jì)算出兩層液體的液面位置。三、等效時間取樣（ETS）技術(shù)TDR用于電纜斷點(diǎn)定位時，由于斷點(diǎn)距離往往是幾公里或更遠(yuǎn)，定位精度也不需要很高，而用于物位測量時，距離要小得多最多是數(shù)十米，而微波以光速傳播，故時間差是很

7、小的，如以量程20m的儲罐為例，微波脈沖往返一次的時間約為133ns，實(shí)實(shí)際那測量這么小的時間差并且達(dá)到足夠精度（0.1%F*S）是困難的。在應(yīng)用TDR到物位測量中，等效時間取樣或ETS技術(shù)是關(guān)鍵，它能處理高速，低功耗的電磁脈沖群。當(dāng)采用連續(xù)發(fā)射脈沖群時，每個發(fā)射脈沖都可以得到一個回波。故脈沖波形是多次重復(fù)的。ETS技術(shù)實(shí)時捕捉這些微波脈沖，并以掃描取樣方式在每個周期中取一小段，并且順時延后取樣時間，每次掃描采集多達(dá)幾萬個取樣點(diǎn)，將這些取樣點(diǎn)重新組合成一個波形，其形狀和單個波形是一樣的，但周期擴(kuò)大了，例