導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì) 是什么測(cè)量原理
0、引言：
無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是在日常生活中,對(duì)于液位測(cè)量,如河流和湖泊水箱測(cè)量等,特別是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,水平測(cè)量具有不可或缺的重要作用。在不同的工業(yè)領(lǐng)域,液位測(cè)量要求不一樣,由于不同的工業(yè)領(lǐng)域,測(cè)量環(huán)境不同,待測(cè)液體,測(cè)量范圍和精度要求不同,液位計(jì)是一種重要的儀器。在油田、化工等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用液位計(jì)來測(cè)量液位,可以掌握實(shí)際的液位值水平,從而保證生產(chǎn)的可靠運(yùn)行,為經(jīng)濟(jì)核算提供依據(jù)。
在當(dāng)前水平測(cè)量中,測(cè)量精度是***重要的指標(biāo),無論是小型集裝箱、大型油罐還是河湖水庫。例如:石油和化工工業(yè)在使用儲(chǔ)油能力很大,甚至高100000m3,即使測(cè)量誤差很小的液位,也會(huì)造成很大的誤差的容量值。因此,提高任何液位測(cè)量系統(tǒng)中液位測(cè)量的精度是非常重要的。隨著信號(hào)處理技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展,液位計(jì)測(cè)量技術(shù)通過機(jī)械開發(fā)到機(jī)電一體化,并且機(jī)電一體化和自動(dòng)化的發(fā)展,近年來,微處理器被引入液位計(jì),液水平測(cè)量技術(shù)發(fā)生了革命性的變化,其測(cè)量精度和分辨率變高,范圍從幾厘米到幾十米,越來越智能化、向小型化、集成方向發(fā)展[1] 。
1、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)：
通過科研工作者的努力,目前市場(chǎng)上有多種液位計(jì)。在實(shí)際使用中,用戶可以根據(jù)期望的精度和不同的測(cè)量環(huán)境選擇正確的液位計(jì)。普通液位計(jì)包括伺服液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、激光液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、R射線液位計(jì)、光纖液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等。
應(yīng)用浮力平衡伺服液量計(jì)的原理,根據(jù)液位,浮子在被測(cè)對(duì)象中,不同液體對(duì)不同浮力,重力通過敏感裝置測(cè)量浮子的重量,測(cè)量液位值。型式液位計(jì)采用伺服電機(jī)提升自動(dòng)控制浮子,是一種自動(dòng)跟蹤高精度液位計(jì)液位的變化,其液位測(cè)量精度可達(dá)±0.7mm,測(cè)量靈敏度可達(dá)0.1mm。動(dòng)態(tài)跟蹤誤差可達(dá)到0.1 mm。伺服液位計(jì)也可以做出遠(yuǎn)程信號(hào),可以由于不同原因的附加水平而出現(xiàn)鋼絲繩重量補(bǔ)償。此外,伺服液位計(jì)還可以接口測(cè)量液體密度和不同的液體位置參數(shù)。液位計(jì)幾乎沒有傳動(dòng)部件,因此,具有高可靠性。國(guó)際上,荷蘭Enraf公司開發(fā)的ATG854和XTG854伺服液位計(jì),可以實(shí)現(xiàn)+1mm的測(cè)量精度。中國(guó)打破了國(guó)外技術(shù)的壟斷地位,在2003年開發(fā)的BJLM-80伺服級(jí)中,填補(bǔ)了空白,液位測(cè)量精度可以達(dá)到±1mm,液體界面的測(cè)量精度可以達(dá)到±2mm。
超聲波液位計(jì)采用時(shí)域反射原理,聲波在空氣中傳播,當(dāng)被測(cè)液面反射后,通過測(cè)量發(fā)射和反射信號(hào)的時(shí)間差可以從傳感器計(jì)算到表面的距離,然后得到高度。超聲波液位計(jì)可以基于智能分析反射信號(hào),可以過濾干擾,分析信號(hào)強(qiáng)度,識(shí)別多個(gè)回波,使得即使在干擾的情況下,液位計(jì)讀數(shù)也是準(zhǔn)確的。使用新型氣密超聲波液位計(jì)可測(cè)量高達(dá)15m的液位。E+H公司推出FMU40/41超聲波液位計(jì),可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度為2mm。目前,與國(guó)外產(chǎn)品相比,國(guó)內(nèi)超聲波液位計(jì)的發(fā)展相對(duì)落后,缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在測(cè)量精度和盲區(qū)的距離。國(guó)外超聲波液位計(jì)盲區(qū)一般在5cm~10cm,測(cè)量精度在1%左右的范圍內(nèi);國(guó)內(nèi)超聲波液位計(jì)盲區(qū)面積約30m,測(cè)量精度在約1.5%的范圍內(nèi)。
雷達(dá)液位計(jì)是基于電磁波反射原理設(shè)計(jì)的。它不受介質(zhì)的粘度,密度和蒸氣的影響,并且具有高精度。使用不同的超聲波,電磁波傳播介質(zhì)在稀釋氣體,真空或半液體蒸汽的條件下一半擴(kuò)散,其傳播速度不受氣體和液體的任何波動(dòng)的影響。因此,它可以用于液位測(cè)量揮發(fā)性液體,以及高溫高壓,具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。根據(jù)不同的測(cè)量方法,雷達(dá)液位計(jì)可分為兩種類型的調(diào)頻連續(xù)波和脈沖類型。
2、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的總體方案：
本主題設(shè)計(jì)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)由電路部分和機(jī)械部分組成,其中電路部分可分為控制和信息處理模塊,信號(hào)調(diào)制模塊,收發(fā)器電路模塊,機(jī)械部分分為同軸和同軸波導(dǎo)桿探頭兩部分。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的組成框圖如圖1所示。
圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的組成框圖Fig.1 Block diagram of composition of the guided wave radar level gauge
控制和信息處理模塊的主要功能是根據(jù)要調(diào)制的信號(hào)和液位計(jì)算來控制系統(tǒng)的操作;用于產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)和采樣信號(hào)的信號(hào)調(diào)制模塊的主要功能,以及接收信號(hào)處理的反射;主要功能模塊的收發(fā)電路用于信號(hào)傳輸同軸電纜傳輸、同軸波導(dǎo)桿以及反射信號(hào)采樣。同軸電纜和同軸波導(dǎo)桿探頭作為電磁脈沖信號(hào)的傳輸介質(zhì),同軸電纜功能電路和探頭頂部的同軸連接液位計(jì)波導(dǎo)桿,同軸波導(dǎo)桿探頭設(shè)置在液罐,液體垂直進(jìn)入體內(nèi)。
2.1、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的系統(tǒng)原理：
本文采用脈沖導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì),采用時(shí)域反射法(TDR)原理對(duì)液位進(jìn)行液位測(cè)量。電路電平表發(fā)射器脈沖信號(hào),并通過信號(hào)收發(fā)器電路傳輸?shù)酵S電纜,電磁脈沖信號(hào)沿同軸電纜和同軸波導(dǎo)桿傳輸后,當(dāng)它遇到空氣界面和待測(cè)液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射脈沖信號(hào),沿同軸波的反射信號(hào)引導(dǎo)棒和同軸電纜反向傳播,***終信號(hào)電平表接收電路捕獲。液位計(jì)的工作示意圖如圖2所示。
圖2 電磁脈沖信號(hào)的傳播示意圖Fig.2 Sketch of electromagnetic pulse propagation
通過測(cè)量電磁脈沖信號(hào)在同軸波導(dǎo)管探頭T上的傳播時(shí)間,可以獲得導(dǎo)桿頂部和待測(cè)液位之間的距離。H的高度和信號(hào)傳播時(shí)間T之間的關(guān)系如式(1)所示:
式(1)中,L是導(dǎo)波桿的長(zhǎng)度,V是電磁脈沖的傳輸速度。
為了提高小時(shí)間間隔T的分辨率,使用等效采樣方法來捕獲反射信號(hào)。是發(fā)射信號(hào)中的過程的等效采樣特性并接收反射信號(hào),只有有限的時(shí)間來完成信號(hào)采樣,但在測(cè)量期間,信息可以被放入下一個(gè)發(fā)射信號(hào)中并接收反射信號(hào)過程將一直持續(xù)到完成抽樣,抽樣所需信息。這可以利用較低的采樣頻率實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)間分辨率,從而提高測(cè)量的精度[2] 。
圖3 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Diagram of guided wave radar level gauge system
圖4 信號(hào)調(diào)制模塊的系統(tǒng)組成框圖Fig.4 Signal modulation system block diagram
3、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的硬件組成：
本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,由電路部分和機(jī)械部分組成,其中電路部分分為3個(gè)模塊,分別為控制和信息處理模塊、信號(hào)調(diào)制模塊、收發(fā)器電路模塊,機(jī)械部分由同軸電纜和同軸波導(dǎo)桿組成。
電路電平表,控制和信息處理模塊可分為CPU電路和外圍電路;信號(hào)調(diào)制模塊可分為傳輸和反射采樣信號(hào)調(diào)制電路和信號(hào)調(diào)制電路;收發(fā)器電路模塊可分為提取電路接收電路和反射信號(hào)。如圖3所示為本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng)示意圖。
在導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng)中,控制及信息處理模塊的主要功能為:
1)產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘信號(hào)PWMO、控制信號(hào)PWM1及基準(zhǔn)信號(hào)PWM2。其中,PWMO是頻率為460KHz的方波信號(hào),PWM1是頻率為10Hz,占空比為30%的信號(hào),PWM2是頻率為10Hz,占空比為35%的信號(hào)。
2)將接收到的反射信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,得到電磁脈沖信號(hào)在導(dǎo)波桿上的傳播時(shí)間,經(jīng)過處理計(jì)算后得到實(shí)時(shí)的液位值。
3)接收鍵盤輸入的信息,完成系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)的調(diào)整或是功能菜單的轉(zhuǎn)換。
4)控制LCD實(shí)時(shí)的顯示信息。
5)完成與上位機(jī)的通信功能。
信號(hào)調(diào)制模塊的主要功能為:
a)在PWM1信號(hào)的控制下,對(duì)PWMO信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生頻率為460KHz的尖脈沖信號(hào)作為發(fā)射信號(hào),同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率略低于460KHz的信號(hào)作為采樣信號(hào)。
b)對(duì)捕獲到的反射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,將其轉(zhuǎn)換為CPU可以識(shí)別的邊沿信號(hào)。
收發(fā)電路模塊的主要功能為:
(1)發(fā)送信號(hào)被發(fā)送到同軸電纜,并且采樣信號(hào)的影響在同軸電纜上進(jìn)行信號(hào)等效采樣。
(2)從等效采樣信號(hào)中提取反射信號(hào)并發(fā)送到信號(hào)調(diào)制模塊。液位計(jì)的機(jī)械部分由同軸電纜和同軸波導(dǎo)棒探頭組成。波導(dǎo)棒探頭安裝在液體容器罐口內(nèi),垂直插入被測(cè)液體,探頭端部到罐底,當(dāng)傳輸信號(hào)傳到表面時(shí),反射信號(hào),反射信號(hào)沿著波導(dǎo)桿探頭和同軸電纜和反向傳輸,收發(fā)器電路模塊液位計(jì)采集。
圖5 采樣信號(hào)的獲得原理Fig.5 Sample signal the access principle
3.1、信號(hào)調(diào)制模塊：
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的信號(hào)調(diào)制模塊由鋸齒波發(fā)生電路,發(fā)射采樣信號(hào)發(fā)生電路和反射信號(hào)調(diào)制電路三部分組成。如圖4所示顯示了信號(hào)調(diào)制模塊的系統(tǒng)框圖。
在本課題所設(shè)計(jì)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)中,發(fā)射信號(hào)由發(fā)射及采樣信號(hào)產(chǎn)生電路直接對(duì)頻率為460KHz的PWMO信號(hào)進(jìn)行調(diào)制得來,其頻率也為460KHz,由此易知,反射信號(hào)的頻率也為460KHz。為了完成對(duì)測(cè)量周期內(nèi)的反射信號(hào)的等效采樣,采樣信號(hào)的周期應(yīng)該略大于反射信號(hào),即若反射信號(hào)的周期為T,則采樣信號(hào)的周期應(yīng)為T+OT。因此,若假設(shè)第1個(gè)采樣信號(hào)與第1個(gè)反射信號(hào)同相位,則第二個(gè)采樣信號(hào)比第二個(gè)反射信號(hào)延遲△T,第3個(gè)采樣信號(hào)比第3個(gè)反射信號(hào)延遲24T,以此類推,第n個(gè)采樣信號(hào)將比第n個(gè)發(fā)射信號(hào)延遲n4T,直至測(cè)量周期結(jié)束,隨著兩信號(hào)相位差的逐漸擴(kuò)大,完成對(duì)反射信號(hào)的掃描,實(shí)現(xiàn)反射信號(hào)的等效擴(kuò)展。
為了得到這個(gè)延遲采樣信號(hào)的步進(jìn),產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)的緩慢上升,負(fù)尖峰脈沖信號(hào)與頻率和相位疊加是同一個(gè)發(fā)射信號(hào),然后通過NAND門合成信號(hào),當(dāng)振幅低于閾值電壓,門與NAND門的輸出端,從低電平變?yōu)楦唠娖?可以得到一個(gè)階躍延遲信號(hào),原理如圖5所示。當(dāng)步長(zhǎng)延遲信號(hào)被調(diào)制時(shí),可以獲得采樣信號(hào)。
4、同軸電纜與同軸導(dǎo)波桿的選型：
在文中,導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì),包括同軸電纜的機(jī)械部分和同軸導(dǎo)波探頭,用作液位傳感器使用。同軸電纜用于連接導(dǎo)波電路和同軸波雷達(dá)液位計(jì)波導(dǎo)桿,通過調(diào)節(jié)同軸電纜的長(zhǎng)度,可以安裝在液位計(jì)上遠(yuǎn)離水箱,方便工作人員液位監(jiān)測(cè);同軸導(dǎo)桿安裝在波浪頂部的液體槽中,插入待測(cè)液體中,末端到槽底,用于測(cè)量液面高度。
因?yàn)閷?dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的發(fā)射信號(hào)功率比較小,所以為了保證發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的衰減***小,選取了特性阻抗為75Ω的同軸電纜,并將同軸導(dǎo)波桿的外殼內(nèi)徑D與內(nèi)導(dǎo)體外徑d之比設(shè)計(jì)為3.6。如圖6所示為同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6 同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Coaxial cable schematic
同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的中心,外絕緣層被一定厚度包圍,在金屬屏蔽層外,材料和形狀為銅或鋁網(wǎng)膜,外層為塑料護(hù)套,用于保護(hù)同軸電纜。如圖7所示為同軸導(dǎo)波桿的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7 同軸導(dǎo)波桿的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Coaxial waveguide structure
同軸波導(dǎo)由316L奧氏體鋼制成,具有耐高溫和耐腐蝕特性,可在惡劣的環(huán)境下工作?？諝庥米魍S波導(dǎo)桿的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的絕緣介質(zhì)。當(dāng)液體插入待測(cè)量的液體中時(shí),液體將侵入導(dǎo)桿的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體。發(fā)射脈沖在同軸導(dǎo)線內(nèi)部和外導(dǎo)體桿之間以電磁波的傳播形式進(jìn)行,當(dāng)遇到空氣和液體界面時(shí),同軸導(dǎo)波桿的特征阻抗發(fā)生變化,導(dǎo)致反射信號(hào)。
4.1、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)試環(huán)境：
為了對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的實(shí)際工作特性進(jìn)行測(cè)試,搭建了一套液位測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)來模擬測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由長(zhǎng)度為1.2m、直徑為120mm的玻璃管、標(biāo)尺、注水管、放水管組成,其示意圖如圖8所示。
因?yàn)椴ＡЧ苁峭该鞯?可以在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)觀察液面的位置,這可以反映導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的精度和靈敏度。在測(cè)量過程中,將玻璃管中充滿水,然后打開排水管,調(diào)整排水速度,然后測(cè)量液位計(jì)的電流值,液位讀數(shù)和導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)顯示比較。
圖8 液位測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Hydraulic test platform
由于測(cè)量條件有限,在測(cè)量過程中,選取液位計(jì)量程為1m以下,調(diào)整其液位顯示方式為XXX.Xmm。
4.2、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的試驗(yàn)結(jié)論：
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的實(shí)驗(yàn)分為兩部分,即波形測(cè)試和數(shù)據(jù)測(cè)試。通過波形測(cè)試,證明導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)反射波形與發(fā)生時(shí)間的極性和理論結(jié)果相同,說明使用的測(cè)量原理是可行可靠的。為了證明測(cè)量的準(zhǔn)確性,對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)。在本文中,列出了兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。通過對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果的分析,得出以下結(jié)論:
1)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的誤差范圍在3 mm以內(nèi)。
2)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量重復(fù)性小于3mm。
3)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的線性度很好。
由于測(cè)試條件有限,本文只討論當(dāng)測(cè)量范圍低于lm時(shí)的測(cè)量結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的理論射程可達(dá)到3M,測(cè)量范圍在LM以上,未來將進(jìn)一步研究和測(cè)試。
5、結(jié)束語：
液位測(cè)量在石油和化工行業(yè)中起著不可或缺的作用。罐中液體的液位可以通過液位計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量,并且可以實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前液位值。雷達(dá)液位計(jì)不受介質(zhì)的粘度,密度和蒸汽的影響,具有高精度。因此,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。