微波物位计测量干扰因素的研究

　　0　引言

　　微波物位计,也称雷达物位计,作为一种新兴的工业物位测量仪表,它具有耐高温、耐高压、耐真空、穿透性强等特点,且受温度、蒸汽、粉尘等影响小。经过上世纪90年代至今十余年的不断创新和改进,微波物位计解决了不少物位测量的难题,并由此得到了广泛的应用。其测量精度和对工况的适应范围有了显著的提高。其中用于储罐计量的高精度微波物位计,其精度已经可以达到1mm以内。

　　由于微波物位计在实际应用中受到工况条件的限制,测量精度的影响因素众多,如安装条件、环境温度,以及储罐内气相密度和压力的变化等。如何妥善处理这些因素,将直接影响微波物位计最终测量精度和效果。

　　1　微波物位计的设计要素

　　1.1　频率源

　　工业中所用的微波物位计的频率范围通常在三个波段,分别是6GHz、10GHz和26GHz左右,其对应的波长分别在50mm、30mm和11mm左右。由于波长和频率的不同,微波也表现出不同的特性,比高频波的反射信号的半宽度显著降低,有利于提高信号分辨率。

　　从穿透性角度看,微波的频率和波长的不同,穿透介质时的影响也不同。通常高频波表现出更强的散射特性,在遇到测量空间有水雾或粉尘时,散射损失的能量较多。此外,由于气体的谐振会对毫米波的频率产生选择性的吸收和散射。如图1所示的是毫米波在空气中传播时所受到空气中的氧分子和水蒸气的影响。总的趋势是随着微波波长的减小(频率的增加),微波传播“阻力”变大[4]。在某些频段处,如22GHz处存在着明显的吸收峰。

　　1.2　天线形式

　　微波物位计的天线用于发射微波,并接收反射回来的微波信号。不同的雷达天线表现为不同的特点。微波物位计的天线有杆式天线、喇叭天线、抛物面天线和平板天线四种形式,各具优点。为了适应不同的应用情况,如防腐蚀、防冷凝水、发射角度、安装方式等的要求,天线形式有不少的变化,但基本都属于上述的四类天线。

　　1.3　微波的测量技术

　　根据前面的叙述,微波物位计有脉冲法和调频连续波(FMCW)两种测量方法。相比较而言,脉冲法因其处理算法成熟、丰富、能耗小等特点更适合于工况较复杂多变的过程测量;调频连续波物位计以其测量稳定、精确度高等特点多用于储罐计量。但随着近年来测量技术的提高,两种测量方法在原来的基础上都有了进一步的突破,互相取长补短,测量和使用效果上的差异越来越小。

　　1.4　信号的检测和处理算法

　　微波物位计最重要的指标是测量的精确度和稳定性。随着微波物位计应用范围的不断扩展、新的应用工况不断出现以及应用经验的积累,各个厂家针对微波物位计的算法不断丰富,有些信号识别算法甚至是针对某种特殊工况而设计。软件的设计使得普通的应用调试更加简单;但在一些复杂的应用中,根据工况进行调试显得日益重要。例如微波物位计在低介电常数的介质储罐靠近罐底的液位测量、导波雷达在低介电常数(介电常数小于1. 5)的塑料粒子的料位测量等,都需要特殊的算法和调试。在微波物位计的应用过程中,遇到测量困难的情况,可以向相关的生产厂家咨询,避免轻易下结论。