[科普中国]-雷达物位计

微波物位计，俗称雷达（Radar）物位计，雷达是英文Radio Detection and Raging（无线电检测与测距）首字母的缩写词。

用途雷达物位计采用微波脉冲的测量方法，并可在工业频率波段范围内正常，波束能量低，可安装于各种金属、非金属容器或管道内，对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量。适用于粉尘、温度、压力变化大，有惰性气体及蒸汽存在的场合。雷达物位计对人体及环境均无伤害，还具有不受介质比重的影响，不受介电常数变化的影响，不需要现场校调等优点，不论是对工业需要，还是对顾客经济实惠的考虑，都是不错的选择1。

种类雷达物位计已成为物位测量仪表市场上的主流产品，主要分为雷达物位计和导波雷达物位计。

1.雷达物位计

雷达物位计发射功率很低的极短的微波通过天线系统发射并接收。雷达波以光速运行。运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间内稳定和精确的测量。即使存在虚假反射的时候，最新的微处理技术和软件也可以准确地分析出物位回波。通过输入容器尺寸，可以将上空距离值转换成与物位成正比的信号。仪表可以空仓调试。在固体测量中的应用可以使用K-频段的高频传感器。由于信号的聚焦效果非常好，料仓内的安装物或仓壁的粘附物都不会影响测量。

2.导波雷达物位计

导波雷达物位计的微波脉冲沿着一根缆、棒或包含一根棒的同轴套管运行，接触到被测介质后，微波脉冲被反射回来，并被电子部件接收，并分析计算其运行时间。微处理器识别物位回波，分析计算后将它转换成物位信号给出。由于测量原理简单，可以不带料调整，从而节省了大量调试费用。测量缆或棒可以截短，使之更加适应现场的应用。对于蒸汽不敏感，即使在烟雾、噪音、蒸汽很强烈的情况下，测量精度也不受到影响。不受介质特性变化的影响，被测介质的密度变化或介电常数的变化不会影响测量精度。粘附：没有问题，在测量探头或容器壁上粘附介质不会影响测量结果。容器内安装物如果采用同轴套管式的测量完全不受容器内安装物的影响，不需要特殊调试。

可以提供不同形式的探头用于不同应用：

1.缆式，用于测量液体介质或重量大的固体介质，量程可达60米；

2.棒式，用于测量液体介质或重量轻的固体介质，量程可达6米；

3.同轴套管，用于测量低黏度的介质，不受过程条件的影响，量程可达6米。

原理及技术性能雷达波是一种特殊形式的电磁波，雷达料位计利用了电磁波的特殊性能来进行料位检测。电磁波的物理特性与可见光相似，传播速度相当于光速。其频率为300MHz-3000GHz。电磁波可以穿透空间蒸汽、粉尘等干扰源，遇到障碍物易于被反射，被测介质导电性越好或介电常数越大，回波信号的反射效果越好。雷达波的频率越高，发射角越小，单位面积上能量（磁通量或场强）越大，波的衰减越小，雷达料位计的测量效果越好。

应用领域现今物位测量领域困扰用户的是一些大型固体料仓的物位测量，特别是用于50/100米以内的充满粉尘和扰动的加料状态下的料仓。相关技术的仪表例如电容或导波雷达TDR在放料时物位下降时会受到很强的张力负载，可能会损坏仪表或把仓顶拉塌掉。重锤经常有埋锤的问题，需要经常维修，大多数其他机械式仪表也是这样。而高粉尘工况又可能会超出非接触式超声波物位测量系统的能力。高频的调频雷达技术尤其适合这种大型固体料仓的物位测量。

现今的高频雷达一般为工作在K波段(24～26GHz)的雷达物位计，雷达的工作频率越高其电磁波波长越短，越容易在倾斜的固体表面有更好的反射，并具有较窄的波束宽度，可有效避开障碍物，高的频率还可使雷达使用更小的天线。而FMCW调频连续波微波物位计发射和接受信号是同时的，相同时间内发射的微波信号更多，固体测量中可减少高粉尘固体料仓测量中的失波现象。因此固体测量中高频的调频雷达能提供准确、可靠的测量，并在例如化工行业中的PP粉末、PE粉末等介质中也有良好应用。但由于技术限制，现今还没有工作在K波段以上的高频雷达物位计。

也有使用5.8GHz ~ 10GHz的低频雷达测量固体，但由于其较低的频率、较长的波长其发射波不容易被漫反射，在高粉尘工况下会导致很多的二次或多次回波，干扰和噪声很大，因此固体粉料测量中逐渐被淘汰2。

选型事项雷达和多数的测量仪表一样，选型无非是以下三个方面：

1.介质特性方面 有无腐蚀性、粘附性如何、磨损力度如何、介电常数如何 等等，根据这些选择缆绳的类型和仪表特征

2.容器、环境特性方面容器尺寸如何、是否有障碍物或者搅拌、安装要求如何、量程、结构、环境是否需要防爆

3.控制要求方面要什么信号输出？是否需要就地显示？精度有何要求？分辨力？供电要两线还是4线？参照下图左侧参数就非常清晰选择了。

防雷击随着工业自动化发展的须要，仪器仪表业飞速发展，但是这些内部应用了大量微电器件的智能仪器仪表，却在大多具有绝缘强度低、耐电涌身手初等题目。因此智能仪器仪表的防雷，就显得十分紧要了，尤其是在雷暴季节，以避免构成庞大散失。

导波雷达液位计仪表防雷，要从单方面下手，包罗内部零碎防雷和内部零碎防雷，一般主要靠参加防雷装置来完成。具体可颠末以下门径来发展防雷。

1.防雷先从接地零碎做起。雷达物位计的机壳，非常像控制柜、独霸台、电源柜等，机壳都要用扁钢毗邻到共同。仪表任务电源如24V负端和仪表信号地、合计机输入输出信号地等相连要构成等电位。本安地、安全栅、阻遏栅、安全器等接地也要思虑仪表信号参考点毗邻时可否构成等电位。

2.不能忽视智能仪器仪表的电源防雷眷注。为智能仪器仪表安装防浪涌眷注零碎大要或许电涌，以确保仪器仪表不会超过耐压极限。电涌眷注器大要在雷暴天气感应到雷浪涌时，将过载电流汇入大地。

3.为智能仪器仪表配信任号通道电涌器，不单大要保证动态传递切确、顽固、灵动，何况大要在雷暴天气，泄放过压电涌到大地，确保信号传输的安全。

4.定期对智能仪器仪表的电源零碎接地、汇流条、接地体、电涌器、电源防雷栅等发展搜查和培修，以及及时转变。

天线分类雷达物位计按工作方式可以分为非接触式和接触式两种。

非接触式微波物位计常用喇叭或杆式天线来发射与接收微波，仪表安装在料仓顶部，不与被测介质接触，微波在料仓上部空间传播与返回。安装简单、维护量少，并且不受料仓内气体成分、粉尘、温度变化等的影响，深受用户欢迎，可替代劳动强度大的人工投尺或带重锤的卷尺、维修率高的接触式仪表（重锤探测式yo-yo）、电容等。因此，非接触式微波物位计是近年来发展最快的物位测量仪表。

接触式微波物位计一般采用金属波导体（杆或钢缆）来传导微波，仪表从仓顶安装，导波杆直达仓底，发射的微波沿波导体外部向下传播，在到达物料面时被反射，沿波导体返回发射器被接收。

技术方案世界上的微波（雷达）物位计通有脉冲法（PULS）和连续调频法（FMCW）两种。

连续调频(FMCW)技术

连续调频(FMCW)技术测量物位是将传播时间转换成频差的方式，通过测量频率来代替直接测量时差，来计算目标距离。发射一个频率被线性调制的微波连续信号，频率线性上升(下降)，所接收到的回波信号频率也是线性上升(下降)的，两者的频率差将比例于离目标的距离。

频率被调制的信号通过天线向容器中被测物料面发射，被接收的回波频率信号和一部分发射频率信号混合，产生的差频信号被滤波及放大，然后进行快速傅利叶变换(FFT)分析，FFT分析产生一个频谱，在此频谱上处理回波并确认回波。

脉冲波技术

脉冲波测距是由天线向被测物料面发射一个微波脉冲，当接收到被测物料面上反射回来的回波后，测量两者时间差(即微波脉冲的行程时间)，来计算物料面的距离。

微波发射和返回之间的时差很小，对于几米的行程时间要以纳秒来计量。脉冲测距采用规则的周期重复信号，并重复频率(RPF)高。

频率选择微波物位计使用的微波频率有三个频段：C波段(5.8～6.3GHz)、X波段(9～10.5GHz)、K波段(24～26GHz)。制造商根据自己的技术及国家批准的频率来设计产品。

物位测量中的微波一般是定向发射的，通常用波束角来定量表示微波发射和接收的方向性。波束角和天线类型有关，也和使用的微波频率(波长)有关。

对于常用的圆锥形喇叭天线来说，微波的频率越高，波束的聚焦性能越好，即波束角小，在实际使用中这是十分重要的，低频微波物位计有较宽的波束，如果安装不得当，将会收到内部结构产生的较多的虚假回波，例如：采用4”喇叭天线的26GHz雷达的典型波束角为8°，而5.8GHz 的典型波束角为17°。并且，微波的频率越高，其喇叭尺寸也可以做的越小，更易于开孔安装。还没有频率高于K波段（24—26GHz）的微波（雷达）物位计。

而X波段雷达由于没有明显的应用特点，而在各大物位厂商的雷大物位技术发展中趋于被淘汰3。

测量原理调频连续波雷达物位计在测量过程中应用了按照线性变化的高频信号，雷达物位计的信号从天线发出，在被测量平面反射，回波被天线接收。雷达物位计信号的发出与回波接收的频率差被用于进一步的信号处理，频率差对应于测量距离。一个大的频率差应对于一个较大的测量距离。通过FFT频率差被转化为频谱差，进而换算出测量距离。物位与测量距离的差别取决于空罐的高度。发射能量很低的极短的微波脉冲通过天线系统发射并接收。

即使工况比较复杂的情况下，存在虚假回波，用最新的微处理技术和调试软件也可以准确的分析出物位的回波。输入天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路：

D=C×T/2

其中C为光速

因空罐的距离E已知，则物位L为：

L=E-D

输出

通过输入空罐高度E（=零点），满罐高度F（=满量程）及一些应用参数来设定，应用参数将

自动使仪表适应测量环境。

对应于4－20mA输出。

应用介质雷达物位计适用于对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量，适用于温度、压力变化大；有惰性气体及挥发存在的场合。

采用微波脉冲的测量方法，并可在工业频率波段范围内正常工作。波束能量较低，可安装于各种金属、非金属容器或管道内，对人体及环境均无伤害。

分类雷达物位计按应用可分为两类，现分述如下：

（1）用于库存管理或贸易结算的高精度液位计量 主要用于石油成品油及化学用品液体的精度测量，测量精度主要在1MM以内，基本上采用调频连续波原理。价格昂贵，应用量也有限，故只有少数公司生产，有适用于不同场合的喇叭、抛物面及阵列天线。

（2）用于过程物位监测 由于工业过程种类繁多，仪表必须适应各种介质，以及不同的温度、压力范围。精度约为0.1%FS或者5mm。这几年，过程级微波物位计发展很快，主要是加速普及。在性能提高的同时，价格也相对适中，适用于更多工况。

固态物料料位，特别是气体输送料状料位（烟灰、成品水泥）一直是物位测量中的难题，但是雷达物位计可以稳定、可靠的测量2。

输入输出雷达物位计输入天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路，微处理器对此信号进行处理，识别出微脉冲在物料表面所产生的回波。正确的回波信号识别由智能软件完成，精度可达到毫米级。距离物料表面的距离D与脉冲的时间行程T成正比：

D=C×T/2

其中C为光速

因空罐的距离E已知，则物位L为：

L=E-D

雷达物位计输出通过输入空罐高度E（=零点），满罐高度F（=满量程）及一些应用参数来设定，应用参数将自动使仪表适应测量环境。对应于4－20mA输出。

局限性影响雷达性能的是介电常数，理论上在真空中雷达衰减极小，当空气中存在对雷达衰减物质，例如：高介电性的粉尘粉末(石墨，铁合金等)，水蒸气很大，测量距离效果要受影响。

被测介质的挥发气体会在天线上聚集，水蒸汽会在天线上聚结，此时会影响雷达波的发射，严重时雷达波不能发出。

被测介质的介电常数不能太小。

尽管温度和压力对雷达影响极小，但雷达天线是由材料做成的，雷达可适应温度的压力的范围与使用的材料和密封结构有关。

测量条件注意事项

测量范围从波束触及罐低的那一点开始计算，但在特殊情况下，若罐低为凹型或锥形，当物位低于此点时无法进行测量。

若介质为低介电常数当其处于低液位时，罐低可见，此时为保证测量精度，建议将零点定在低高度为C 的位置。

理论上测量达到天线尖端的位置是可能的，但是考虑到腐蚀及粘附的影响，测量范围的终值应距离天线的尖端至少100mm。

对于过溢保护，可定义一段安全距离附加在盲区上。

最小测量范围与天线有关。

随浓度不同，泡沫既可以吸收微波，又可以将其反射，但在一定的条件下是可以进行测量的2。

雷达物位计的安装说明

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本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学