精品文档物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况上海工业自动化仪表研究所李竞武一、TOF物位测量技术1．原理TOF（Time of Flight行程时间或传播时间）测量原理，又称回波测距原理。
是非接触测距的一种方法，当前广泛应用于物位测量中。
其原理是：安装在料仓顶部的探头向仓内发射能量波，当能量波传播到被测物料面上时，在物料面上反射并返回到探头上被接收。
波的来回传播时间就是距离的量度，并可以据之计算物位。
可以利用的能量波有机械波（声或超声波），电磁波（通常为 K 波段或 X 波段的微波），光波（通常为红外波段的激光）。
相应的物位计称为：超声物位计、微波物位计及激光物位计。
2．超声测量物位利用超声来测量物位技术发展已很成熟，在工业工程中应用越来越广，液体、浆体、固态物料都能应用，应用的行业有：冶金、电力、矿山、煤炭、水和废水、化工等行业，已成为物位测量应用中的一种重要手段。
近年来在技术上没有太大发展，近年推出的新产品主要在：输出信号上增加现场总线接口（常用的有 Hart, Profibus, F.F. 等）；仪表的防护等级达到 IP67/68 ，可以工作于更恶劣的环境；连接电缆有的可以不用专用高频同轴电缆，用普通双绞屏蔽线也可达360m长；价格也逐步走低。
固态物料（矿石、煤、谷类等）物位是超声波测量有优势的领域，应用量很大。
水和废水处理是另一个优势领域，主要是一体形超声液位计。
这两个领域，近几年内，仍应是超声物位计的主要市场。
因为应用已成熟，性能稳定可靠，而价格比微波液位计便宜。
3．微波测量物位3.1概述利用微波来检测物位是近年来发展最快的一种物位测量技术。
俗称雷达物位计，因为它是雷达（ RADAR无线电检测与测距）技术衍化而来，正确的名称应是“微波物位计”。
和超声波（机械波）相比，微波（电磁波）的传播不依赖介质，故可使用于有挥发、高温及压力的工况；传播损耗小，量程大小对价格的影响不大；波速不受环境影响，故测量精度较超声物位计高，一般产品可达0.1 ％，精密级产品可达1mm绝对精度。
它可以解决许多超声波技术难以胜任的工况。
故应用发展很快，已成为物位测量中一种重要手段。
微波在空气中传播速度约为3× 108m/s ，与超声速度340m/s 相比高了 6 个数量级，过程应用中物位量程一般为几米～几十米。
传播时间约为数十毫微秒数量级，要求测时精度约为微微秒数量级。
3.2技术特点微波物位计按结构可分为以下二类。
3.2.1天线式（非接触式）微波通过天线发射与接收，为非接触测量模式。
天线可以有各种类型：绝缘棒、园椎喇叭、平面阵列、抛物面等。
绝缘棒天线通常用聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料制成，耐腐蚀性能较好，可用于强酸、碱等腐蚀性介质。
但微波发射角较大（约30°），并且边瓣较多，对于罐内结构较复杂的工况，干扰回波会较多，有时调试较复杂。
椎形喇叭天线的发射角与喇叭直径及频率有关（见表 1）。
喇叭直径越大，发射角越小。
抛物面天线发射角最小，约7°，但天线尺寸更大，直径达Φ454，开孔尺寸要＞ 500mm，安装使用不大方便。
发射角小，微波能量集中，可测较远距离（或较低介电常数的物料，也能有较强回波），由于波束范围小，干扰回波少，可以测量较狭的料仓。
平面天线采用平面阵列技术（ PAT），即多点发射源，与单点发射源相比，由于其测量基于一个平面，而不是一个确定的点，配合相应电子线路，可使微波物位计的测量精确度达±1mm，可用于储罐精密计量，主要用于计量级微波物位计。
表 1锥形喇叭天线尺寸与波束角关系微波5.8GHz X波段26GHz K 波段频率天线Φ 100 Φ 150 Φ 200Φ 250Φ 40Φ 50Φ 80Φ 100尺寸4″6″8″10″11/ 2″2″3″4″波束32°23°19°15°23°18°10°8°角3.2.2导波式（ TDR时域反射原理）这种结构采用接触式的测量方法，微波物位计带有金属棒或柔性缆的导波杆，安装时从罐顶直达罐底，工作时，微波通过导波杆外侧向下传播，在碰到物料面时由于介电常数εr 与空气不同，就会产生反射，并被接收。
根据波的行程时间即可测出物位。
这种方式虽然失去了非接触的优点，但它可以测量介电常数较低的物料（εr ≥ 1.2），如液化气等，也可以测量粉状或颗粒状物料物位。
但是对于会在导波杆上积料的场合，应用会有问题，在大量程固态物料应用时，导波缆有时会被下降物料拉断。
微波物位计按使用微波的波形分类，可分为：调频连续波（FMCW）、脉冲波及调频脉冲波三类。
早期的微波物位计都采用调频连续波方式，虽然其线路结构较复杂，成本较高，但因为微波的行程时间仅为毫微秒数量级，如直接测时间差，测时精度要达微微秒数量级。
在当时技术条件下难以低成本实现，调频连续波方式是测发射波与反射波的频差，易于实现。
90年代后期，高精度测时技术已很成熟，故这一阶段推出的微波物位计均采用脉冲法，直接测时，成为微波物位计中主要采用的方式。
调频连续波方式主要用于高精度的高端产品。
也有将这两者结合起来的调频脉冲波方式，脉冲波的载波是连续调频的，回波也是通过频差的方式来测量距离，而不是直接测时间，这样精度可以较高，主要用于精密型的液位测量。
3.3应用微波物位计在下列领域的应用中，技术上有优势。
3.3.1高温、高压、腐蚀、带搅拌等复杂工况沥青、酸碱罐、反应釜、主要在化工、石油化工等行业。
3.3.2高炉炉料料位，高温融熔金属液位这类工况被测物料温度较高，由于热辐射，物位计安装位置温度很高，故通常采用带弯曲延伸管的喇叭天线，电子部件在远离热辐射区域，不锈钢喇叭天线能耐受较高温度。
而微波的传播与反射不受温度影响。
（附图）3.3.3粉状、颗粒状料位测量固态物料要用专用型号的微波物位计，其信号处理软件和测量液位的微波物位计是不同的。
粉状料位（电厂灰库、水泥厂均化库及成品库料位）一般采用气动输送，料仓中空间粉尘很大。
水泥均化库还从下部往上吹气，料面不是很清晰。
Siemens 公司 LR400 微波物位计能很好应用于此类工况。
导波式微波物位计也可以用，价格会便宜些，但因为是接触式，安装及维护较麻烦。
3.3.4大型储罐液位精密测量原油、成品油罐、液化气、化工液体等液位测量，可本安或隔爆。
过程级的仪表测量精度可达 3mm，计量级仪表可达1mm。
随着价格下降，微波物位计逐步成为该领域中主要仪表。
4．技术发展趋势4.1工作频率向高端发展目前大多数脉冲式微波物位计均采用X 波段，频率为 5.8GHz（或 6 GHz），调频连续波形采用 10 GHz 左右频率。
如前所述，它的微波发射角较大，虽然通过采用大尺寸椎形天线或抛物面天线可以改善发射角，但体积大，要求开孔尺寸大，使用不方便。
同样锥形喇叭天线尺寸，采用的微波频率越高，发射角越小。
目前，高频的微波器件价格下降，已能在工业产品中大量应用。
故微波物位计发展趋势之一就是向高频发展，通常采用 K 波段 26 GHz（或 24 GHz）频率。
在发射角较原先改善的情况下，尺寸大幅度减小，安装使用都方便，而且由于微波能量集中，其量程可扩大到70m。
可以测更低介电常数的物料（ε r ≥ 1.4 ）。
Siemens, E+H, Vega等公司均推出了此类成品。
4.2脉冲波原理向高精度发展早期的脉冲式微波物位计测量精度为0.1 ％FS(10~20mm)，新推出的采用 26GH的脉冲式微波物位计，精确度可达0.05%FS 或± 3mm，在过程级仪表中已是很高的精度，在计量级微波液位计中，现推出了采用数字平面技术（DPT）的智能液位计，它是数字信号处理技术和平面阵列天线技术综合的产品。
它提高了信号噪声比，能判断虚假回波、蒸汽影响及其它因素，可以区分微弱的有效测量信号和较强的干扰反射信号，避免了由于仓壁反射干扰波对测量精度的影响，使测量精确度达到±1mm，满足了油品商业计量交接的要求。
如INRAF公司的 SmartRadar 。
4.3向经济型发展（5.8GHz）微波物位计另一发展趋势是：简化结构、降低成本，向经济型发展与其它常规方法竞争通用的液位测量市场。
Siemens 公司的 SITRANS Probe LR微波物位计是这类产品的典型，采用 PP材质绝缘棒天线，量程 20m，二线制本安防爆，精度0.1 ％，价格比同量程超声液位计还便宜，而精度却更高。
成为一种常规的通用产品。
但是由于用的是 5.8GHz 频率，绝缘棒天线，仪表尺寸较大。
在5m以下小量程时，超声物位计体积较小，价格也低些。
5．激光测量物位激光物位计也是从激光测距技术衍化而来，技术上已成熟，也有产品推出了：如SICK 和 K－ TEK公司，但由于这种产品本身技术特点，在过程中应用有限。
因此生产的厂家很少，产品价格也高。
由于激光的光学特性，被测物料必须是不透明的液体或浆体，虽然说可以测量固体物料，但实用中问题很多。
因为激光波长很短，在固体物料的粗糙表面上，不易得到良好回波，而且深色的物料表面对光波吸收大，所以实用中也是测距上较多。
它的优点是波束狭（光束直径约50mm，波束角约 0.15 °），可以在很狭范围内传很远距离而不会受到干扰，量程最大可达350m。
为了保证在被测目标上可靠反射，可以在目标上贴上目标反射器（尺寸为25× 25cm2 或 50×50cm2），以保证光束稍偏离正入射反射面也能得到可靠回波。
预计在近几年内，在过程物位的应用上不会有很大增长。
二、我国的物位仪表工业我国的物位仪表起步较晚，60 年代才有专业的物位仪表厂，由于国内需求不旺，发展不快，规模都比较小，以生产机械型产品为主，几个国家定点大厂都逐步以流量仪表为主（如开封仪表厂，银河仪表厂）。
在 88 年 8 月，物位仪表行业协会成立时，约有20个成员单位：包括了当时国内主要的物位仪表厂：上海自仪五厂、北京自仪四厂、武汉二六五厂、辽阳自动化仪表厂、大连第五仪表厂等五个厂是会长及付会长单位。
国家“七?五”计划期间，自动化仪表行业掀起了技术引进高潮，物位行业只有三个厂引进了四个项目（上海自仪五厂引进了电容式物位开关制造技术、超声波物位计制造技术，北京自仪四厂引进了钢带液位计制造技术，铁岭光学仪器厂引进了高温双色玻璃板液位计制造技术），和同期流量行业有 22 个厂引进了 24 个项目相比，太少了。
因此当时物位行业在技术上提高不多。
随着国家进一步改革开放，经济的发展，自动化程度的提高使物位仪表需求猛增。
原有生产能力不能满足要求，国外产品大量进来（主要是高端产品），国内民营物位仪表厂很快发展。
