雷达液位计的原理特点及市场分析

雷达液位计的应用

摘要：雷达液位计具有许多优点，近年来应用广泛。本文介绍了一种调频连续波雷达液位计。简单介绍了雷达液位计的工作原理，分析了市场上各类物位仪表的优劣性，并做了相应的性能分析和比较。

关键词：雷达液位计，调频连续波，微波

1． 引言

自上个世纪九十年代以来，雷达液位计进入市场，由于测量精度高、超群的耐高温高压的能力以及采用了非接触的测量方式使安装使用简易方便，其较高的可靠性成为近十年来罐区液位过程监测的首选仪表。

液位仪表是工业测量中不可缺少的重要仪表。液位仪表的种类繁多，根据介质和现场条件的不同，各类液位计各具优势，形成一个多元化的局面。罐区储罐由于其容 积较大，要求液位计的精度较高，过去大多用浮子钢带式液位计，伺服式和静压式也有一定应用量。浮子钢带式液位计安装复杂，可靠性较低，静压式液位计受介质 密度和温度影响很大，为消除这些影响，一套完善的静压测量系统其价格也很高；伺服式液位计精度较高，但由于其有机械传动机构，不可避免带来磨损问题，同时 价格也偏高。近年来出现的光纤液位计、磁致伸缩液位、超声波液位计以及核辐射液位计各具其优缺点，光纤液位计可以做到现场无电检测，安全性好，这是其突出 的优势，缺点是仍然有很多机械传动部件，故障率就会增加，安装也复杂些。磁致伸缩液位精度较高，但由于其接触的测量方式和较高的安装、维护要求导致市场普 及不广。超声波物位计虽精度较雷达液位计略低，但其安装简单价格适中，在防爆领域，目前超声波液位仪的量程是一个问题，一般小于8米，遇到高温罐，问题也 会更大。核辐射液位计因有放射源，应用需特别批准，应用范围受到限制。而雷达液位计进入市场后，由于自身的优势迅速成为液位测量中的首选仪表。

本文着重介绍的是珠海康宝莱仪表有限公司自行研发设计的调频连续波国产雷达液位计。

2． 测量原理

本雷达液位计主要由雷达探测器（一次表）和雷达显示仪（二次表）组成。雷达探测器主要由主体、连接法兰和天线三部分组成。天线分为喇叭型和直接与波导管连 接两种形式。雷达显示仪提供连接上位计算机的RS-485接口，可以传递液位等参数及报警信号，亦可通过上位计算机对智能雷达显示仪进行控制。

雷达探测器采用的是线性调频连续波测距原理：天线发射的微波是频率波线性调制的连续波,当回波被天线接收到时,天线发射频率已经改变。根据回波与发射波的 频率差可以计算出物料面的距离。FMCW方式测量线路较复杂,从而测量精确度较高,同时干扰回波也较易去除,一般用于较高端的测量方案。雷达探测器的主体 中包括微波信号源、信号处理部分。工作过程中，微波信号源输出一个波幅恒定的线性调频的微波信号，其产生的频率输出如下图所示：

发射频率随时间线性增加，增加的斜率为k，当发射出去的连续波遇到液面发射时，发射回来的信号频率如图1中点划线所示，它比发射信号滞后了一定时间τ。

根据微波传播原理知道：

τ＝2R/C (1)

式中C是微波在空间中的传播速度3×108km/s，R是液面距雷达液位仪的距离。

由于回波信号频率的滞后，使得反射频率与发射信号频率之间的差频为：

f=kτ (2)

将以上两式合并后可以得到：

R=C×f/2k

显然R与f是成正比的，反射液面离液位仪的距离越远所产生的差频频率f越大，因此可计算天线到反射面的距离。

信号处理部分则对回波信号与发射信号的混合信号进行处理，通过测量混合信号频谱，用快速傅立叶变换（FFT）来计算混合信号，从中对混合信号频谱进行分析，排除掉干扰信号，然后确定天线到反射界面的距离，从而完成测量。

3． 优点特性

本雷达液位计采用非接触式测量方法。非接触式测量方法是今年来测量物位的主要方法，目前较成熟的非接触测量技术有超声波、核辐射和微波。而在化工、石化等 过程工业领域，由于被测介质普遍存在高温、高压、腐蚀、挥发、冷凝等复杂工况，且对测量仪表有防爆要求。相比与超声波，微波传播的自身特点决定了雷达液位 计的使用优势：

1） 定向传播。

2） 准光学特性。

3） 传输特性好。

4） 介质对微波吸收与介质的介电常数成比例。

由其自身特性决定，雷达液位计在使用上具有以下优势：

1） 连续准确测量：由于雷达液位计不与被测介质接触，且受温度、压力、气体等影响非常小。

2） 维护方便，操作简单：雷达液位计具有故障报警及自诊断功能。

3） 适用范围广：非接触式测量，方向性好，传输损耗小，可测介质多。

4） 安装简单：在各行业应用中，雷达液位计可直接安装到储罐顶部，安装十分简单。

4. 市场分析

1）横向比较

雷达液位计通常分为脉冲雷达和调频连续波雷达（FMCW）两种。脉冲雷达的工作模式与超声物位计相似:天线周期地发射微波脉冲,并接收物料面回波,同时对 回波信号进行分析处理,确认有效回波,据之计算物位。正是由于工作原理的不同，导致两者测量方式测量的最终精度也有所不同，脉冲雷达的测量精度不如调频连 续波雷达（FMCW）。而且，从大量的实测结果来看，脉冲雷达的测量精度跟超声波液位计的差不太多，而市场价格却高出不少。因此，用户在具体选择时应根据 实际需求选择适合自己的性价比较好的仪表。