雷达液位仪测量原理的分析及应用探讨

    雷达液位仪是20世纪60年代中期国外开始生产使用的新技术产品。它是一种采用微波测量技术的液位测量仪表,没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区。在发明应用初期,它主要用于海船油槽液位测量。它克服了以前使用机械式接触型液位仪表的诸多缺点,比如清洗维修的困难和使用的不便等,满足了油槽频繁排放、加注操作中液位仪部件免清洗、免维修的使用要求。随后,雷达液位仪相继用于在岸上储罐液位的测量。它特别适用于高温、高压及黏度较大的易燃、易爆液态物质的液位测量。比如,液化石油气、沥青、高度污染性的化工产品液态物质等。雷达液位仪应用范围日益广泛,特别是高精度得到了国际计量机构的认证,满足国际贸易交接的物料计量要求。

    1　雷达液位计的基本测量原理

    雷达液位计的基本原理是雷达波由天线发出,抵达液面后反射,被同一天线接收。雷达波往返的时间正比于天线到液面的距离,其运行时间与液位距离关系如图1所示。

    L=H-d=H-_ct/2       (1)

式中　c—电磁波传播速度,在真空中为3×10⁸m/s;

      d—被测介质与天线之间的距离,m;

      t—天线发射与接收到反射波的时间差,s;

      H—天线距罐底高度,m;

      L—液位高度,m。

    由式(1)可知,只要测得t即可计算得到L。

    目前主要有两种不同的时间测量方式。一种是微波脉冲(PTOF)测量方法;另一种是连续波线性调频测量法(FMCW)。

    微波脉冲(PTOF)雷达液位仪的工作原理如图2所示。在脉冲时间行程方法中,测量系统以固定的带宽发射出某一固定频率(即载波频率)的脉冲,在介质表面反射后由接收器接收。微波脉冲法通过采样处理将测量时间延伸至微秒级,由此来测量微波运行时间。通过采用相位估计技术,可将测量误差降低一个数量级,达到毫米级的测量精度。在时间行程测量中,只要由石英晶体控制的载波脉冲发射频率稳定,就可以保证测量的稳定性。

    连续波线性调频(FMCW)雷达液位仪的工作原理如图3所示。微波源是X波段(10 GHz)的压控振荡器,它由锯齿波电压控制产生扫描调频振荡信号,其微波信号经定向耦合器将主通道信号送往环形器,定向耦合器耦合部分信号送往混频器作为本地振荡信号。

    环形器将定向耦合器送来的信号全部传送到天线,由天线向被测液位表面辐射。从液位表面反射的微波信号,又被天线接收,天线将接收信号送往环形器,环形器将天线接收的信号全部送往混频器。混频器对输入信号进行混频,产生差频信号,该差频信号被送往放大器,放大器将回波信号放大到一定的幅度后,送往数字信号处理器,该信号经A/D转换和傅立叶变换后,得到差频信号的频谱特性。再由计算机芯片进行检测和计算,最后输出液位信号,送往显示器进行显示或输出报警信号。