物位儀表選型超聲波物位計(jì)

傳感器發(fā)出的超聲波碰到被測(cè)介質(zhì)被反射，反射回波的質(zhì)量反映了物位計(jì)應(yīng)用效果?；夭ㄙ|(zhì)量定義為最小回波幅度(在最惡劣條件下回波幅度)比最大噪聲幅度(虛假回波、多徑反射回波等的幅度)?；夭ㄙ|(zhì)量數(shù)值越大，物位計(jì)應(yīng)用效果越好。

超聲波物位計(jì)工作頻率及測(cè)量性能:傳感器高頻(40-70KHz)工作時(shí)，傳感器的尺寸小，盲區(qū)小，方向性好，精度高，但其聲波衰減快，傳播介質(zhì)(空氣)波動(dòng)時(shí)穿透性差，測(cè)距較小。傳感器低頻(10-20KHz)工作時(shí)，傳感器尺寸大，盲區(qū)大，方向性不好，精度低，其優(yōu)勢(shì)是聲波衰減慢，傳播介質(zhì)(空氣)波動(dòng)時(shí)穿透性較好，測(cè)距稍遠(yuǎn)。

超聲波的回波強(qiáng)度主要受以下兩個(gè)因素影響:

1.傳播介質(zhì)越穩(wěn)定越有利于傳播。

超聲波是機(jī)械波。機(jī)械波在傳播過程中會(huì)受到傳播介質(zhì)穩(wěn)定程度的影響。例如:有一池塘水，當(dāng)風(fēng)平浪靜時(shí)， 往池塘中扔一石子就可看到水波紋，當(dāng)大風(fēng)使池塘水起波浪時(shí)，往池塘中扔很大的石頭都難看到水波紋。引起空氣波動(dòng)因素很多，如:粉塵，氣浪，蒸汽，料流等都會(huì)引起空氣波動(dòng)，降低回波質(zhì)量，影響測(cè)量效果。當(dāng)粉塵，氣浪等現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，建議用低頻超聲波物位計(jì)來測(cè)量。

2.被測(cè)介質(zhì)表面越平整，聲阻抗越大(越硬)越有利于反射回波。

在固體測(cè)量時(shí)，被測(cè)表面都是不平的，有一定的安息角。在這種條件下的反射波是漫反射波。由于反射與波長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)反射面的線度可與波長(zhǎng)相比時(shí)或更大時(shí)，才能發(fā)生反射。顯然，工作頻率越高，其波長(zhǎng)越小，對(duì)于較小的物料，更易于發(fā)生漫反射。例如，頻率為10KHz的機(jī)械波在空氣中的波長(zhǎng)是34mm，大多數(shù)情況下，物料的線度都不會(huì)有這么大。此外，低頻工作時(shí)，發(fā)射波的開角大，回波就會(huì)很寬。這時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)也就不準(zhǔn)了，有時(shí)會(huì)差幾百毫米甚至1米或更多。因此，測(cè)量顆粒較小的固體料位，建議使用高頻超聲波物位計(jì)。

綜上述，考慮現(xiàn)場(chǎng)工況時(shí)，應(yīng)特別注意兩個(gè)方面:換能器到被測(cè)介質(zhì)間的空氣狀態(tài)和被測(cè)介質(zhì)的表面狀態(tài)。

超聲波物位計(jì)的選擇:

1.換能器

生產(chǎn)商給出的最大量程一般是在實(shí)驗(yàn)室條件下才能達(dá)到。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，選擇量程時(shí)，要留有余量。應(yīng)確保測(cè)量距離為儀表最大量程的0.3-0.5倍。最好有應(yīng)用案例。

2.控制表

應(yīng)選擇有回波顯示功能的控制表。由于物位測(cè)量工況的不確定性，物位計(jì)的工作性能僅用數(shù)字表示是不夠的?；夭@示是將換能器到被測(cè)介質(zhì)之間全過程的回波顯示出來。盲區(qū)附近的波形狀況，真實(shí)回波、虛假回波以及雜散噪聲的幅度、寬度以及信噪比等有關(guān)測(cè)量性能的因素通過回波曲線的形式全面反映出來，使用戶做到一目了然，心中有數(shù)。

一臺(tái)好的超聲波物位計(jì)應(yīng)具備的性能:頻率高、發(fā)射波開角小(方向性好)，換能器諧振好(盲區(qū)小)，換能器要起振快，剎車快，諧振頻率準(zhǔn)。全量程回波處理動(dòng)態(tài)范圍大(100-120dB)，回波圖形顯示。在多虛假回波的工況下，回波波形不斷變化時(shí)，物位計(jì)應(yīng)能準(zhǔn)確地捕獲真實(shí)回波。因此，物位計(jì)的回波 處理軟件應(yīng)具有良好的算法(是一種物位測(cè)量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累的總和)。

超聲波物位計(jì)目前市場(chǎng)價(jià)值:由于雷達(dá)技術(shù)的普及和發(fā)展以及雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)，在物位測(cè)量中，超聲波物位計(jì)有被雷達(dá)物位計(jì)取代的趨勢(shì)。綜合性價(jià)比分析，在液位測(cè)量方面，超聲波物位計(jì)還有市場(chǎng)。

非接觸物位測(cè)量中，雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用近年來獲得快速發(fā)展。超聲波物位計(jì)中換能器是眼睛，而雷達(dá)物位計(jì)中高頻頭和天線是眼睛，回波處理是物位計(jì)的大腦。雷達(dá)物位計(jì)繼承了超聲波物位計(jì)的回波處理技術(shù)。

雷達(dá)物位計(jì)發(fā)出的電磁波碰到被測(cè)介質(zhì)被反射，反射回波的質(zhì)量反映了物位計(jì)應(yīng)用效果?；夭ㄙ|(zhì)量定義為最小回波幅度(在最惡劣條件下回波幅度)比最大噪聲幅度(虛假回波、多徑反射波等的幅度)?；夭ㄙ|(zhì)量數(shù)值越大，物位計(jì)應(yīng)用效果越好。

回波強(qiáng)度主要受以下因素影響

傳播介質(zhì)介電常數(shù)越穩(wěn)定越有利于傳播。雷達(dá)波是電磁波，電磁波在傳播過程中不受傳播介質(zhì)穩(wěn)定程度的影響，只與其介電常數(shù)有關(guān)。這是雷達(dá)技術(shù)與超聲波技術(shù)的重大區(qū)別。

被測(cè)介質(zhì)表面越平整，其介電常數(shù)越大越有利于回波反射。

所以考慮現(xiàn)場(chǎng)工況時(shí)，應(yīng)特別注意這兩個(gè)方面:(1)天線到被測(cè)介質(zhì)間空氣介電常數(shù)的分布(2)被測(cè)介質(zhì)的表面狀態(tài)及其介電常數(shù)。

雷達(dá)物位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:不受空氣波動(dòng)影響，隨距離衰減小，穿透力強(qiáng)。

雷達(dá)的局限性:1)影響雷達(dá)的性能是介電常數(shù)，理論上在真空中雷達(dá)衰減極小，當(dāng)空氣中存在對(duì)雷達(dá)衰減物質(zhì)，例如:含高介電性的粉塵粉末(石墨，鐵合金等)，水蒸氣很大，測(cè)量距離和效果要受影響。2)被測(cè)介質(zhì)的揮發(fā)氣體會(huì)在天線上聚集，水蒸汽會(huì)在天線上聚結(jié)，此時(shí)，會(huì)影響雷達(dá)波發(fā)射，嚴(yán)重時(shí)雷達(dá)波不能發(fā)出。3)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)不能太小。4)盡管溫度和壓力對(duì)雷達(dá)影響極小，但雷達(dá)天線是由材料做成，雷達(dá)可適應(yīng)溫度和壓力的范圍與使用的材料和密封結(jié)構(gòu)有關(guān)。

雷達(dá)物位計(jì)目前已成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，而低頻率雷達(dá)物位計(jì)盡管具有價(jià)格相對(duì)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但在主要應(yīng)用領(lǐng)域中，屬于逐漸被淘汰的產(chǎn)品。從超聲波物位計(jì)的應(yīng)用中得知，要獲得比較好的回波，換能器工作頻率大約40KHz，波長(zhǎng)大約9mm，這時(shí)發(fā)射波的開角為7°-8°。工作頻率越高，其開角越小，但其量程較小。與超聲波類比，雷達(dá)物位計(jì)要獲得上述效果的回波，其工作頻率應(yīng)為26GHz，此時(shí)，其波長(zhǎng)為11mm。當(dāng)用口徑為100mm的喇叭時(shí)，可獲得7°-8°開角的發(fā)射波。若雷達(dá)工作頻率是6GHz，則相當(dāng)于超聲波的工作頻率為10KHz。而工作頻率為10kHz的超聲波物位計(jì)在物位測(cè)量中各項(xiàng)指標(biāo)都很不理想，特別不適于固體料位的測(cè)量。與低頻率雷達(dá)相比，高頻雷達(dá)有以下優(yōu)點(diǎn):

1)高頻雷達(dá)物位計(jì)(主要指26GHz和24GHz)具有能量高，波束角小(一般Φ95的喇叭天線的波束角為8o，而6GHz低頻脈沖雷達(dá)的喇叭天線直徑為Φ246時(shí)，波束角為15o)，天線尺寸小，精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2)26GHz雷達(dá)波長(zhǎng)11mm，6GHz雷達(dá)波長(zhǎng)50mm，雷達(dá)測(cè)量散裝料位時(shí)，雷達(dá)波反射主要來自料面的漫反射，漫反射的強(qiáng)度與物料大小成正比，與波長(zhǎng)成反比，而大部份散裝料直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50mm，這就是為什么目前26GHz雷達(dá)是散裝料物位測(cè)量的最佳選擇。

3)在一些直徑小高度矮的小罐應(yīng)用中， 6GHz雷達(dá)天線長(zhǎng)(300-400mm)無形中增大了盲區(qū)(大約600mm)，由于6GHz雷達(dá)方向性差(開角大)在小罐中會(huì)產(chǎn)生多徑反射;26GHz雷達(dá)頻率高頻，天線短，方向性好，克服了6GHz雷達(dá)的缺點(diǎn)，適用于小罐測(cè)量。

4)由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，隨著時(shí)間推移，雷達(dá)天線會(huì)堆積污物、水汽等，26GHz雷達(dá)天線小，加天線罩可大大改善污物、水汽影響;6GHz雷達(dá)天線大，加天線罩很困難。且儀表較沉重，清理困難。

5)由于26GHz雷達(dá)方向性好，很多惡劣工況，可通過簡(jiǎn)單隔離，將雷達(dá)裝在容器外進(jìn)行測(cè)量。

目前，26GHz雷達(dá)物位計(jì)的價(jià)格已與6GHz雷達(dá)物位計(jì)價(jià)格相當(dāng)，這更促進(jìn)了26GHz雷達(dá)物位計(jì)的應(yīng)用。 可以預(yù)見，6GHz雷達(dá)物位計(jì)市場(chǎng)占有率會(huì)大大降低。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們期待更高頻率(如:90GHz)、更小開角(如:2°，3°)、更小體積的雷達(dá)物位計(jì)的面世。我們將在此領(lǐng)域中不懈地努力，將雷達(dá)物位測(cè)量做到極致。

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)--非接觸雷達(dá)物位測(cè)量的補(bǔ)充

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)發(fā)射脈沖電磁場(chǎng)，以導(dǎo)波纜為中心100mm為半徑，沿纜向前傳播，遇介質(zhì)返回。除有非接觸雷達(dá)的特點(diǎn)以外，導(dǎo)波雷達(dá)方向性好，頻率低(500M-1GHz)穿透性好。缺點(diǎn)是顯然的，尤其在固體測(cè)量中，調(diào)試維修都不方便，經(jīng)常會(huì)磨損，甚至斷纜?？衫脤?dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)低頻的穿透性實(shí)現(xiàn)某些特殊應(yīng)用。如:油水界面;以及利用纜的末端反射測(cè)量介電常數(shù)非常小的粉末(除塵粉倉)粉位測(cè)量等。

在高溫、高壓工況條件下，導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)與脈沖(非接觸)雷達(dá)物位計(jì)相比更具優(yōu)勢(shì)。脈沖雷達(dá)天線由不銹鋼和PTFE構(gòu)成，而PTFE最高使用溫度200°，最高壓力4MP。當(dāng)導(dǎo)波雷達(dá)用不銹鋼和陶瓷構(gòu)成時(shí)，最高使用溫度400°，最高壓力40MP。

超聲波物位計(jì)的應(yīng)用主要是考慮換能器(探頭)的選擇。最好不用于固體物位測(cè)量。

雷達(dá)物位計(jì)的應(yīng)用是考慮天線和頻率的選擇。頻率有6GHz和26GHz兩種，由于6GHz屬于淘汰產(chǎn)品，應(yīng)盡量選用26GHz雷達(dá)物位計(jì)。26GHz天線種類很多，各有特點(diǎn):

GDRD55天線，全四氟(PTFE)密封天線，適合工況較好(測(cè)距短，液面穩(wěn)定)的液體，腐蝕性液體。少量的揮發(fā)物對(duì)天線只造成輕微污染。

GDRD56,58天線:1，不繡鋼喇叭天線，適合較干凈沒有揮發(fā)物的工況。2，不繡鋼喇叭加PTFE罩天線，適合有揮發(fā)物，粉塵的工況。3，全朔料天線帶PTFE罩天線，適合有揮發(fā)物，粉塵，凝結(jié)的工況。4，不繡鋼喇叭帶吹掃天線，經(jīng)壓縮空氣做吹掃風(fēng)，適合對(duì)天線污染嚴(yán)重工況。5，加天線延長(zhǎng)管和散熱管，可用于超高溫工況(如鋼水)。

GDRD57，全四氟(PTFE)密封自滴型平面天線，適合食品衛(wèi)生工況。

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的導(dǎo)波纜繩就是導(dǎo)波雷達(dá)的天線，可參照選型手冊(cè)選用。

料位計(jì)的選型必須結(jié)合實(shí)際工況，綜合考慮各種影響因素，以選出性價(jià)比較高的、能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求的、合適的型號(hào)，因此必須詳細(xì)了解如下幾大因素：

物位儀表，又稱料位計(jì)，是用來測(cè)量料倉/容罐/倉儲(chǔ)等料位的計(jì)量?jī)x表，并將料位信號(hào)（開關(guān)量或連續(xù)量）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)）傳送到PLC/DCS上，輔助自動(dòng)化系統(tǒng)控制卸料、加料或停止進(jìn)料，保持料倉內(nèi)料位高度。

料位計(jì)又稱為料位儀表，料位傳感器，料位儀，料位變送器、物位計(jì)、物位儀表等。

料位計(jì)可測(cè)量各種狀態(tài)的物料，如液態(tài)、漿液狀、灰狀、粉狀、顆粒狀、塊狀等的物料料位，廣泛應(yīng)用于如下各個(gè)行業(yè)：