雷达料位计说明书

2024-05-01

雷达料位计说明书（精选7篇）

篇1：雷达料位计说明书

雷达料位计在水泥厂的应用和选型

张卫民

（天津水泥设计研究院，天津 300400）概述

物位是水泥工业生产过程的主要测量参数之一，和其他行业不同，在水泥工业中主要是固体物料的物位测量，液位测量则很少。固体物料种类繁多，有块料、颗粒状、粉料，这些物料的介电常数、容重、温度、水分含量也各不相同。接触式测量是过去测量物位的主要手段，如电容式、重锤式、音叉式、阻旋式等测量方法，由于测量时仪表和物料是接触的，在使用过程中往往会出现各种问题，如电容的挂料；重锤的断锤、埋锤；音叉的堵料等，且日常的维护量很大。到20世纪90年代，水泥工业开始采用非接触的物位测量，较早成熟的非接触的测量技术有超声波技术和核辐射技术（γ射线），核辐射技术因有放射源，在应用上受到限制。

超声波技术近几年来发展很快，是目前应用最广泛的非接触式测量方法，特别在液位测量。在水泥厂超声波物位测量已较普遍应用在原料调配库、原煤库、熟料库等，但超声波必须借助于媒质传播，如在水泥厂的储库物位测量通常以空气作为传播介质，而空气的温度、湿度、组分等的变化会影响超声波传播速度，空气中的粉尘也将衰减超声波的传播信号；当前超声波物位测量仅用于测量块料或颗粒状的物料，对粉仓料位的测量，由于粉仓料位表面在下料时非常疏松，对超声波信号有较强的衰减，故至今还没有测粉仓料位成功的先例。

90年代末期，在过程检测领域出现了高性能、低价格的微波物位计即雷达料位计，所谓微波是电磁波，其频率范围为300MHz～300GHz,微波的传播速度为3×108m/s,如设频率为5.8GHz,在大气中波长约为52mm，其穿透力强，传播速度不受粉尘、蒸汽及介质组分的影响，传播衰减也很小；对被测固体物料除要求其介电常数ε>1.8外，物料的温度、压力、密度等几乎不影响对其准确的测量；现有雷达料位计在天线设计和形状确保了接受回波的能量；另外现场调试也十分简单，通过专用的软件，能把正确的回波迅速找到，并立即换算为物位值。由于比超声料位计有其更卓越的性能，近几年来，雷达料位计迅速、大量进入了过程检测仪表的市场，在各行业普遍使用。在水泥行业也几乎由雷达料位计统占物位测量的领域，据统计近几年来新设计的大型水泥厂和粉磨站的各类库和仓近90％采用了各种类型的雷达料位计，天威公司的PLUS54现场总线型PA雷达料位计，还成功用在云南红塔滇西水泥公司的3条水泥生产线的8个水泥库中，和其他仪表组成了新型的FCS系统。雷达料位测量原理和主要技术因素

雷达料位计是利用回波测距原理。发射天线向被测目标发射微波，被测目标的微波被接收天线接收，信号处理器将发射信号与接收信号比较，计算出被测距离，并可算出相应的物位值。

微波脉冲来回传播时间t由下式决定：

t=(1)

式中：a—天线到被测目标的距离；

c—微波传播的速度（光速）。

由于微波在传播途径上有衰减和干扰反射，故测量的关键是要能接收到反射

回波，并识别出有效回波。接收的回波能量Pk可用简化的雷达方程表示如下：Pk=PτxCxGiGtGr/r4(2)

式中：Pτ—天线辐射功率；

C—经验系数，由经验决定；

Gi—由目标表面介电特性及面积决定的反射增益；

Gt，Gr—天线发射和接收效率；

r—天线与目标间的距离。

从式（2）知：接收的回波能量大小与天线的发射和接收效率以及天线辐射功率有关，故雷达料位计的天线设计和形状很关键，现有的天线除号角天线（喇叭口）和棒状天线外，还有平面天线和抛物面天线，为用于介电常数较小的物料，将缆绳作为天线或安装导波管，缆绳和导波管一直延伸到库或仓底，由此来传递发送和接收的电磁波，增强了回波的信号。

从式（2）还知：接收的回波能量大小与物料表面的介电特性有关，介电常数ε高，反射率高，得到的回波强度也高；介电常数ε低，物料会吸收部分微波的能量，回波强度也较低。通常要求被测物料的介电常数ε：液体为ε>1.8,固体ε>2.5，水泥厂固体ε>2.5，水泥的介电常数ε为3。

在水泥工厂，各种固体物料储存在库或仓里，都存在物料的安息角，回波反射也会象超声波一样存在漫反射，产生干扰回波和假回波，通过软件可排除干扰回波和假回波，但有效回波强度会减少很多，故设计选型时，要考虑衰减，选量程要留有一定的余量。雷达料位计的选型

3.1 脉冲型雷达

用于测物位的雷达料位计通常分为两类：脉冲型雷达(Pulse)和调频连续波雷达（FMCW）。在过程监测场合主要选用脉冲型雷达，由于其频率较低（6.3GHz），并且在天线结构设计时充分考虑了冷凝、积料等影响，还能利用超声波料位计中的回波信号处理，在有搅拌器等复杂工况中也能识别有效回波，价格相对也较便宜，故在水泥行业中主要采用了以VEGA公司为代表的VEGAPULS型脉冲型雷达。

3.2 颗粒状物料的选型

在水泥厂原料大多是颗粒状物料，个别是块料，如石灰石、原煤、页岩等，其半成品熟料也是颗粒状物料，储存在库或仓里，都存在物料的安息角，但也有反射介面。根据入料和卸料所形成的物料安息角和表面情况，在确定有效量程后，建议采用非接触型的雷达料位计，即带有棒形或号角形天线的料位计。如用接触型的雷达料位计，会产生对缆绳较大的下拉力，造成事故。根据水泥厂信息反馈，号角形天线的料位计回波更强，精确度更高（±0.2％～±1％F.S）,常用型号为PULS54。

3.3 粉状物料的选型

在水泥厂和粉磨站水泥库一般有4～8个，在水泥厂还有生料均化库和粉煤灰库，这些物料全是粉料，非常难测其料位。在库里的粉料表面极为疏松，微波反射相当困难，为此建议采用接触型雷达料位计,也可选用大法兰的带有号角天线的非接触型雷达料位计，较典型的产品有VEGA－FLEX52K和E＋H的FMP40缆式雷达料位计，它实际上是把缆绳既当天线又作导波管，合二为一，微波脉冲从探头发出后沿缆绳传播，当脉冲遇到物料表面时会被反射回来，其量程可达35m，被测物料的介电常数ε最低为1.6,另外缆绳的耐磨和忍受的最大下拉力，能满

足水泥厂各类粉料库的检测要求。目前已有许多水泥厂用缆式雷达料位计测量均化库、水泥库和粉煤灰库的料位，取得较好的效果，如海螺荻港、浙江三狮、陕西耀县、甘肃祁连山等水泥厂。

3.4 二线制

目前使用的雷达料位计大多是一体化的产品，由二线制供电，可直接控制系统的模块，输出4～20mA的模拟信号，可节省大量电缆；同时还提供HART数字信号和各种协议的现场总线数字通信功能，和计算机监控系统连接非常方便，既可在现场调试，也可用PC机在控制室调试，如组成FCS系统还可在操作员站调试。结论

水泥厂的物位测量是水泥生产线自动化系统一个重要组成部分，雷达料位计的应用解除了人们对水泥厂的物位测量的疑虑，现有雷达料位计在品种、精确度、标准材料、耐压、耐高温、防爆等方面都能满足水泥厂检测和控制的要求。

篇2：雷达料位计说明书

雷达液位计的工作原理

发射—反射—接收是雷达液位计的基本工作原理。

雷达传感器的天线以波束的形式发射电磁波信号，发射波在被测物料表面产生反射，反射回来的回波信号仍由天线接收。发射及反射波束中的每一点都采用超声采样的方法进行采集。信号经智能处理器处理后得出介质与探头之间的距离，送终端显示器进行显示、报警、操作等。微波测距示意图如图1所示。

图中，E－空槽（罐）的高度；F—满槽（罐）的高度； D—探头至介质表面的距离；L—实际物位

雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间与探头到介质表面的距离D成正比，即：

D=v×t/2

式中，t—脉冲从发射到接收的时间间隔 v—波形传播速度

因空槽距离E已知，故实际物位的距离L为：

L=E-D 式中，E的基准点是过程连接的底部

在发射的时间间隔里，天线系统作为接收装置使用。仪表分析、处理运行

时间小于十亿分之一秒的回波信号，并在极短的一瞬间分析处理回波。

雷达传感器利用特殊的时间间隔调整技术将每秒的回波信号进行放大、定位，然后进行分析处理。因此雷达传感器可以在0.1s内精确细致地分析处理这些被放大的回波信号，无须花费很多时间来分析频率。

雷达液位计的特点

雷达液位计最大的特点是在恶劣条件下功效显著。无论是有毒介质，还是腐蚀性介质，也无论是固体、液体还是粉尘性、浆状介质，它都可以进行测量。在测量方面，具有以下特点：

1、连续准确地测量

由于电磁波的特点，不受环境的影响。故其测量的应用场合比较广。雷达液位计的探头与介质表面无接触，属非接触测量，能够准确、快速地测量不同的介质。探头几乎不受温度、压力、气体等的影响（500℃时影响仅为0.018%，50bar时为0.8%）。

2、对干扰回波具有抑制功能

比如，波束范围内接头引起的干扰回波和进料或出料的噪声引起的干扰回波等可由内部的模糊逻辑控制自动进行抑制。

3、准确安全节省能源

雷达液位计在真空、受压状态下都可进行测量，而且准确安全，可*性强。可以不受任何限制，适用于各种场合。雷达液位计采用材料的化学性、机械性都相当稳定，且材料可以循环利用，极具环保功效。

4、无须维修且可*性强

微波几乎不受干扰，与测量介质不直接接触，几乎可以被应用于各种场合，如真空测量、液位测量或料位测量等。由于高级材料的使用，对情况极其复杂的化学、物理条件都很耐用，它可以提供准确可*、长期稳定的模拟量或数字量的物位信号。

5、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。根据操作显示模块提示的错误代码分析故障，及时确定故障予以排除，使维护校正更加方便、准确，保障仪表的正常运行。

6、适用范围广，几乎可以测量所有介质

从槽罐体的形状来说，雷达液位计可以对球罐、卧罐、柱形罐、圆柱椎体罐等的液位进行测量；从罐体功能来说，可以对储罐、缓冲罐、微波管、旁通管中的液位进行测量；从被测介质来说，可以对液体、颗粒、料浆等进行测量。

雷达液位计的应用

1、安装注意事项

（1）天线平行于测量槽壁，利于微波的传播。

（2）安装位置距槽壁距离应大于30cm，以免将槽壁上的虚假信号误做回波信号。

（3）尽量避开下料区、搅拌器等干扰源，使波束范围内无固定物，提高信号的可信度。

（4）接管直径应小于或等于屏蔽管长度（100mm或250mm）。

差压式液位变送器的测量原理

差压式液位变送器安装在液体容器的底部，通过表压信号反映液位高度。在制药、食品、化工行业液位测量控制过程中，盛装液体的容器经常处于有压的情况下工作，此时常规的静压式液位变送器变不能满足测量要求，LY-P200系列差压式变送器是兰宇电气自动化有限公司开发研制的全新型工业压力变送器。由于在传感器电路和结构上的改进，LY-P200已提高了差压液位测量技术在制药和食品行业的实用价值。现在，这种新型液位测量技术已被制药、食品及其它行业领域应用。

由于行业规范和标准的要求，需要进行特殊环境的工艺处理，既要求量程小、精度高，又要求耐高温、耐腐蚀及高过载承受能力的液位变送器。

依据这一方面的要求，LY-P200液位变送器采用进口的陶瓷电容压力传感器，纯净的陶瓷基体，无任何填充液，不产生工艺污染，能满足食品、医药行业要求，同时与被测介质连接元件采用316L不锈钢制作，连接方式有快装卡盘和法兰盘等形式。陶瓷传感器和316L不锈钢无毒、耐腐蚀且便于清洗，可满足制药和食品卫生行业要求。

工作原理

压式液位计测量原理图。当差压计一端接液相，另一端接气相时，根据流体静力学原理，有：

PB=PA+Hρg（2-1）式中： H——液体高度；

ρ——被测介质密度；

g——被测当地的重力加速度。由式（2-1）可得：

ΔP= PB－PA= Hρg

在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的，因此，差压计测得的差压与液体的高度H成正比，这样就把测量液体的高度的问题变成了测量差压的问题。

主要性能指标

二．几种常见油罐液位计的性能特点及选用

油罐是油田炼油厂、油库、油品码头及石化企业普遍需要使用的储存设备，对罐内液体介质(石油化工产品)而言，主要是要测量其液位、温度、密度和压力(带压储罐)等参数，据以计算出储液的体积及质量储量。油罐一般分为中间罐和贸易罐两大类，中间罐仅对液位、温度和压力(带压储罐)等参数进行监测，以防止油罐发生冒顶、抽真空等事故，并不需要交接监控计量；对贸易罐内介质的液位、温度、密度、体积、质量则必须经常监测和计量，且精度要求很高。不同的大小和种类的油罐，所用液位计的性能特点也不一样，因此，根据用户的需要及投资要求，合

理选用液位计，以便达到最合理的性能价格比。1常见液位计的性能特点 1．1人工测量尺：

利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，取样来测量油温和比重，通过计算得到罐内储液体积和重量。这是一种古老的也是至今仍被全世界广泛使用的储罐计量方法，它可以用作现场检验其它测量仪表的参考手段。人工液位测量的精确度一般认为是使用的刻度钢尺精度加上±2mm的人为读数误差。1．2浮子式钢带液位计

这种液位计国外从三十年代就开始使用，至今仍有比较高的市场占有率，其优点是观测比较直观、价格便宜，其缺点是传动部件比较多，易发生机械故障，13常维护量大，对安装要求也比较高，需要生产厂家现场指导安装。对于投资有限的项目，中、小型罐仍可考虑选用该液位计，但高度在16m以上的油罐不宜采用，因为油罐越高，对安装平行度、垂直度以及盘簧的质量要求也越高；外浮顶罐也不宜采用此种液位计，因为容易受到风的影响，使指针不停摆动，导致出现指示不稳定并且容易破环衡力盘簧。另一种光导液位计也属于这一行列。这两种液位计适用于中小炼厂、小油库及中间原料油罐区。1．3伺服式液位计

伺服式液位计被广泛用于储罐液位的高精度测量，它是一种多功能仪表，既可以测量液位也可以测量界面、密度和罐底。该液位计基于浮力平衡的原理，用一台伺服电机驱动体积较小的浮子，使浮子随液位或介面变化，能够精确测量出液位等参数。这种液位计的特点是：

(1)由于不存在滑轮、齿轮的摩擦力，测量精度比较有保证(±0．9mm)； ’(2)由于几乎没有传动机械部件，可靠性高，同时故障率比较低；

(3)可以测量液位、界位、介质比重等参数。其与计算机联网，具有很强的数据处理能力，经运算处理可以给出油罐计量所需要的各种参数，如液位、界位、体积、密度、水尺、质量等； 1．4磁致式液位计

磁致式液位计是一种新型的非接触式的液位计，是目前精度最高的选择，可以安装在油罐的顶部

或侧面，其工作原理是利用磁场脉冲波，测量时液位计的头部发出电流“询问脉冲”，此脉冲同时产生磁场，沿波导管内的感应线向下运行，在液位计管外配有浮子，浮子可随液位沿侧杆上下移动，浮子内设有一组永久磁铁，其磁场与脉冲产生的磁场相遇则产生一个新的变化磁场，随之产生新的电磁“返回脉冲”，测定“询问脉冲”和“返回脉冲”的周期便可知道液位的变化。因此，磁致式液位计是以浮子为测量元件通过磁耦合的变化传递到指示器，使指示器能够清晰地指示出液位的高度，液位计配备有液位报警器和液位变送器。报警器可实现液位的上下限控制及极限报警，液位变送器可以将液位的变化转换成一定强度的电流信号。该液位计使用特点如下：

(1)可动部分只有浮子，故维护量小，安装比较简单，精度也比较高；(2)可测量介质的液位和温度，但不适合重质(粘度大)油品的测量；(3)在工程实际安装时，经常出现安装时的底部固定问题，而且越长的测量范围，实际安装越复杂；(4)价格非常高昂。1．5超声波液位计

罐外用超声波液位计由主机、探头、金属结构件3部分组成，它主要是用于对铁路罐车、汽车罐车及卧式罐等的液位测量。超声波液位计原理是采用了超声波在罐外穿透罐壁及液体的方法，通过接收液体表面回波信号，测出液面高度。这种液位计采用712mhz晶振和专制晶闸管，发射功率大，接收灵敏度较高，能接收到2次穿透金属罐壁与液体后反射回的超声波信息；具有液位超上限和低于下限的声光报警，防震、防腐、防雷、防爆性能良好；主机电源设计先进，保证主机工作电流为lmA，防止多出电压共用地线出现对液晶屏幕干扰现象发生，超声波液位计通过了高低温、振动、运输进程和防电磁干扰试验，保证在我国地理环境复杂的条件下正常使用。罐外用超声波液位计尤其适用于铁路罐车液体充装过程中的充装量多少的监督控制，保证用户向罐内充装的液体容量控制在铁路罐车安全运输容量，但是其高昂的价格目前很难实现普及应用。

2.选用液位计的原则：

(1)油罐容积：对大型罐(10000～lO0000m)及比较大液化气罐可选用性能较高液位计，中小罐可选用一般液位计；

(2)油罐用途：贸易罐应选用高精度液位计，中间罐可用一般液位计；

(3)介质特性：储存粘度大的介质(如重油)时，应尽量采用与被测介质不接触或少接触类型的液位计，如雷达式、超声波式和磁致式液位计，轻油可采用一般液位计；

篇3：矿用雷达料位计的设计

煤仓是煤矿储煤和转运的容器。随着煤炭工业生产自动化程度的提高, 大多数煤仓需要实时准确地测量其煤位变化和控制储煤量, 其仓位的高低不仅可以预估产量, 最重要的是可以减少事故的发生, 如煤仓满仓后可能会造成带式输送机摩擦起火引起事故。目前, 煤仓煤位测量主要以超声波测量为主, 但超声波是机械波, 传播需要以空气为介质, 空气的温度、湿度、粉尘浓度等的变化会影响超声波的传播速度, 空气中的粉尘也将衰减超声波的传播信号。特别是煤仓落煤时产生大量的煤尘, 对超声波有很强的吸收散射作用, 影响测量结果, 稳定性和可靠性较差, 故超声波不太适合煤仓煤位的测量[1]。雷达测距发射的是电磁波, 电磁波以光速传播, 具有穿透力强, 传播速度不受粉尘、蒸汽等的影响、传播衰减小等特点[2]。因此, 雷达测距以其测量精度高、探测距离远和操作方便等优点, 已广泛应用到军事、汽车、化工、测绘等行业中。

笔者将雷达测距技术应用到煤矿井下煤仓煤位的测量中, 设计了一种基于雷达测距技术的料位计, 可有效提高煤仓煤位的测量精度。

1 雷达料位计总体设计

由于雷达料位计在煤炭行业的应用几乎是空白, 笔者经过实验并结合煤炭行业自身特点, 选择应用在地面工控行业的雷达料位计作为该雷达料位计的探头组件, 并加以配合自行开发的满足煤矿本质安全要求的电源模块、CPU处理电路、通信模块、输出模块, 其总体结构如图1所示。

图1中, 探头组件由雷达发射接收天线及控制电路组成, 具有雷达波发射接收及数据处理转换功能, 并将采集到的数据以Hart通信协议与其它单元通信。

2 探头组件设计

2.1 雷达测距原理

雷达料位计通过天线发射一组探测脉冲, 探测脉冲以光速在空间传播, 遇到被测介质表面后, 部分能量被反射回来, 由天线接收, 通过计算发射探测脉冲与接收反射脉冲的时间间隔即可推导出料位计与被测介质之间的距离[3,4]。雷达测距原理如图2所示, 其中S为天线与被测介质表面之间的距离, ΔT为发射脉冲与接收脉冲的时间间隔;c为光速。

雷达料位计控制电路将发射脉冲与接收脉冲进行滤波处理和计算后得到实际距离值, 通过液晶屏显示, 并将距离值转换为电流信号后输出。该电路由探头组件厂商提供实现, 本文不作详细描述。

2.2 探头组件的矿用化改造

由于煤矿井下环境恶劣, 普通雷达探头组件不具备煤矿使用条件, 因此, 必须对其进行改进。

(1) 降低整机功耗, 使其符合井下设备本质安全性要求。采用防爆型式设计的探头组件及料位计整体具有体积大、重量大、功耗大等缺点, 不适于煤仓使用, 因此, 对该雷达料位计进行了本质安全改造, 主要是降低探头组件的功耗。厂商提供的探头组件采用的电压为21～26 V, 输出信号为4～20 mA 电流信号。4～20 mA是控制系统常用的信号制式, 因此, 设计之初考虑保留电流输出信号, 对电源进行本质安全处理, 但是在实际操作中发现如果保留电流信号, 会增大功耗, 最终将探头组件输出信号确定为RS485总线, 通信协议采用Hart协议[5,6], 供电电源不变。

(2) 由于现场安装条件恶劣、空间有限, 既不能保证雷达料位计有良好的安装角度, 也不能保证测量雷达波束有足够的反射空间, 造成调校好的雷达料位计在现场使用时存在系统误差不能消除和测量错误的问题。鉴此, 在探头组件中设置了回波学习功能和量程设置功能。回波学习功能通过软件设置方式滤除雷达探测波束中的虚假反射杂波, 可克服雷达料位计安装条件要求高的缺点, 并可动态调整测量量程, 保证测量的准确度。量程设置功能可针对不同深度的煤仓 (只要在测量范围之内) , 保证雷达料位计输出信号对应实际的煤仓深度。

(3) 增加了滤波延时功能。煤仓在落煤时, 煤仓内粉尘浓度大会使测量波束传播出现干扰, 引起测量数据波动。因此, 在探头组件中特别设计了延时滤波功能, 用于减小落煤和煤尘对测量造成的影响。并且滤波延时的长短可根据落煤点与雷达料位计安装点的距离和粉尘浓度大小进行设置, 从而提高了仪器的适应性。

3 硬件电路设计

雷达料位计硬件电路主要由电源模块、通信模块、输出模块和CPU处理电路组成, 其中CPU处理电路核心微处理器采用PIC18F2480单片机[7]。

3.1 电源模块

上文提到探头组件的供电电源为DC21～26 V, 为提高雷达料位计的供电范围, 将其定为DC9～24 V, 因此, 必须设计9～24 V转24 V的电源模块电路。如图3所示, 电源芯片选用LM3578, LM3578是一款直流-直流转换器控制芯片, 由比较器、基准电流、振荡电路、开关晶体管组成, 可构成升压、降压、倒相电路;工作电压范围为2～40 V, 通过选择配比系数可将电压控制在24 V。

3.2 通信模块

通信模块采用RS485通信电路, 如图4所示, 通过转换芯片MAX3082实现与探头组件通信, 因为是雷达料位计内部通信, 电路中去掉了电源隔离、电气隔离及通信端口保护等单元[8]。

3.3 输出电路

雷达料位计输出信号为200～1 000 Hz的频率信号, 因此, 要设计频率驱动电路。如图5所示, 频率驱动电路以2个三极管为驱动, 使输出端输出信号与单片机管脚输出同步;在输出端跨接双向TVS管和共模扼流圈, 为雷达料位计输出端口提供防雷、防浪涌保护。

4 软件设计

雷达料位计软件采用了C语言模块化设计, 主要由2个功能模块组成: (1) Hart通信模块, 实现与探头组件的通信, 从而获得测量数据; (2) 数据输出模块, 将采集到的数据转换为频率输出。该料位计主程序流程如图6所示。

5 结语

针对煤矿井下煤仓煤位测量精度差的问题, 将雷达测距技术引进到煤矿行业;分析了煤矿特殊环境对普通雷达料位计的要求, 对所选厂商的雷达料位计进行了矿用化改造。目前, 该雷达料位计样机已经进行了井下和选煤厂煤仓试验, 取得了预期效果, 可快速准确地实现煤仓煤位的测量, 有一定的应用前景。

参考文献

[1]沈兆振, 丁保华, 管连俊.煤仓料位监控系统中智能超声波料位计的研制[J].工矿自动化, 2007 (1) :47-49.

[2]何梅.基于DSP设计的雷达测距技术研究[D].南京:南京理工大学, 2007.

[3]尹圣宝.激光雷达测距新方法研究[D].杭州:浙江大学, 2006.

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[5]孔祥伟, 周杏鹏.基于HART协议的智能压力变送器的设计与实现[J].仪表技术与传感器, 2010 (2) :15-17.

[6]王忠民, 梁玉伟.基于HART协议的矿用信号转换器的设计[J].工矿自动化, 2011 (8) :116-118.

[7]Cygnal Integrated Products.C8051F单片机应用解析[M].潘琢金, 译.北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

篇4：导波雷达物位计的选用

[关键词]导波雷达物位计、精度、天线、波束角、介质

[中图分类号]TN95 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0023-01

一、前言

目前，随着工业和仪表技术的发展，在越来越多的工厂中采用雷达物位计来监控反应釜、聚合釜及罐等关键设备的物位状况，从而反馈相关信息做为反应、聚合控制的依据。本文将结合项目，谈谈笔者对导波雷达物位计的工作原理、技术特点、选型要点和安装使用要求等各个方面的一些理解。

二、导波雷达物位计工作原理

导波雷达物位计是一种微波物位计，根据测量能量波运动过程的时间差来确定物位变化情况。由电子装置对微波信号进行处理，最终转化成与物位相关的电信号。

这里的能量波是脉冲能量波，能量辐射水平低（频率一般比智能雷达物位计低），一般脉冲能量波的最大脉冲能量为hnW左右（平均功率为1μW左右），不会对其他设备以及人员造成辐射伤害。

导波雷达物位计用于对液体、浆料及颗粒料等介电常数比较小的介质（≥1.4）进行非接触式连续测量，适用于温度和压力变化大、有隋性气体或蒸汽存在的场合，具有通用性强、防挂料、免维护和抗干扰及准确可靠等特点。

三、导波雷达物位计的选用实例

在中海石油化学股份有限公司所筹建的二氧化碳可降解塑料项目中，工艺需要监测带搅拌设备的反应釜中物料的液位，根据具体技术要求，采用了E+H智能型微波物位仪（导波雷达）Micropiiot M系列，下面将根据在项目过程中的实际运用来对导波雷达物位计的选型要点和安装要求做一个阐述：

（一）选型原则：

在本项目中，采用的反应釜规格为2.4m×3.6m（WxH），工艺要求测量范围为0-5m，带有搅拌桨，介质为聚合产物、环氧丙烷、甲醇，操作压力为0.3MPaG，操作温度为60℃，精度要求为±3mm，工艺连接要求为法兰形式，通讯类型为HART。根据以上参数，我们从以下几个方面方面来进行选型。

（1）精度

精度是测量准确性的指标，所以我们在选型过程中必须完全保证其对测量精度的要求。

（2）介质干扰反射

介质对其测量都有一定的干扰反射，但就其相同的导波雷达物位计来说，高频的物位计对介质的抗干扰能力强于低频的物位计。故在实际操作中选用了高频导波雷达。

（3）介质特性和测量值

根据介质特性，以介质的介电常数为依据来确定雷达波的反射率，从而进行分层测量和计算，最终得到较为准确的测量值。

（4）天线尺寸、温度、密封

天线尺寸越大，波束角就越小，干扰回波也就越弱，所以应该选择天线尺寸较大者。

天线温度的要求，根据工艺条件，一般选择在工艺条件允许的范围内。如果温度高过80℃，注意应该选择高温型号的雷达天线。

天线的密封要求，如果介质具有腐蚀性，在选择时我们必须特别注意其密封要求，需要选择特殊密封方式的产品。

（5）波束角

波束角是指雷达波的能量密度达到其最大值一半（3dB）时的角度，微波可以散射至波束角之外的区域，也可被干扰物反射回来，波束宽度直径W是天线类型（波束角a）和测量距离D的函数：W=2×D×tan a/2

（6）导波管

导波管一般用于介质泡沫较多，介电常数比较低甚至不导电的介质，或者测量设备中存在一定的干扰因素。本项目中，为了最大限度的避免搅拌浆对导波雷达的干扰，保证最佳的测量效果，为其增加导波管，以便给测量提供相对稳定、可靠和干扰较小的测量环境。

（7）天线延伸管

因其安装短管内的天线部件为屏蔽段，为了测量精度，天线喇叭必须伸出安装短管。

（二）安装要求

导波雷达物位计能否正确测量，依赖于反射波的信号。如果安装位置，液面不能将电磁波反射回雷达天线或在信号波的范围内有干扰物反射干扰波给雷达物位计，雷达物位计都不能正确反映实际物位。因此，合理选择安装位置对雷达物位计十分重要，在安装时应注意以下几点：

（1）导波雷达物位计天线的轴线应与液位的反射表面垂直。

（2）导波雷达物位计尽量远离出料口和进料口。

（3）针对金属罐和塑料罐，在整个量程范围内要求不碰壁，对于圆型或椭圆型的容器，应装在离中心为1/2R（R为容器半径）距离的位置，不可装在圆型或椭圆型的容器顶的中心处，否则雷达波在容器壁的多重反射后，汇集于容器顶的中心处，形成很强的干扰波，会影响准确测量。

（4）导波雷达物位计缆式探头或杆式探头离罐壁最小距离不小于30厘米。导波雷达物位计探头底部距罐底大约30mm。

（5）导波雷达物位计探头距罐内障碍物最小距离不小于200mm。

（6）喇叭型的导波雷达物位计的喇叭口要超过安装孔的内表面一定的距离（>10mm）。

（7）导波雷达物位计如果容器底部是锥型的，传感器可以安装导波雷达物位计罐顶中央，这样可以一直测量到罐底。

（8）如果外罐壁材质为诸如GRP之类的非导电材料时，微波信号同样可被信号波束角外的干扰物（如金属管道、爬梯、壁炉等）反射回来。因此，在信号波束角内不能安装此类干扰物。

（9）导波雷达的高频模块对现场电焊比较敏感，因此要求在其3 m之内不能动焊。

（10）对液位波动较大的容器的液位测量，可采用附带旁通管的液位计，以减少液位波动的影响。

四、总结

导波雷达物位计作为雷达物位计的一种正在广泛的被采用，因其特殊的测量原理，使其在非接触式的测量要求下，能准确、安全、可靠的完成测量任务。

导波雷达物位计的选用主要考虑其精度、测量范围、介质特性、天线类型和材质、延长管、安装要求等方面，就笔者理解选型要点中最关键的是介质特性和天线类型。充分了解导波雷达物位计的选型原则，能够对日后正确选用、安装及使用及维护起到一定的指导作用，不仅可以提高导波雷达物位计的使用寿命，还可以帮助我们实现对物位既经济又准确的测量。

参考文献

[1]陆德民、张振基和黄步余，石油化工自动控制设计手册（第三版）

[2]北京，化学工业出版社，2000.1 140-145

[5]王森，仪表常用数据手册北京化学工业出版社1998.7234-240

[4]化工自控设计规定，北京，全国化工工程建设标准编辑中心

篇5：雷达料位计说明书

FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的词头的缩写。FMCW 技术是在雷达物位测量设备中最早使用的技术。

FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号，一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。

如果我们认为被线性调制的发射微波信号的斜率为K,发射信号和反射信号的频率为rf,滞后时间差为rt,发射天线到介质表面的距离为R，C为光速。

那么我们可以得到：rt = 2R/C

由于采用的是调频的微波信号，因此我们可得：rf = K×rt；两式合并后，我们得到公式： R = C× rf/2K（公式2）

根据公式2，我们可以看到，天线到介质表面的距离R与发射频率和反射频率差rf成正比关系。

信号处理部分将发射信号和回波信号进行混合处理，得到混合信号频谱，并通过独立的快速傅立叶（FFT）变化来区分不同的频率信号，最后得到准确地数字回波信号，计算出天线到介质表面的距离。

实际上，FMCW信号是在两个不同的频率之间循环。目前市场上的FMCW微波物位计主要以两种频率为主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。

采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得到补偿，这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。

2.2、脉冲

脉冲雷达物位计，与超声波技术相似，使用时差原理计算到介质表面的距离。设备传输固定频率的脉冲，然后接收并建立回波图形。信号的传播时间直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来 “扫描”容器并得到完整的回波图。

通常，采用脉冲方式的微波物位计的精度和可靠性都不如FMCW微波位计，但是脉冲物位计因为价格较FMCW低很多，因此是目前市场应用得最多的微波物位计。当然，很多生产厂商通过增强回波处理功能等方式大大提高了脉冲雷达的可靠性。

2.3、导波雷达

也被称作时域反射式雷达，即TDR。导波雷达是非接触式雷达和导波天线相结合的产物。它将微波信号发射到导波杆或缆上，使微波能量集中在导波杆或缆周围而不会“扩散”。它一般都是采用脉冲波，但也有采用连续波的。这种工作原理的测量方式使它具有了能够测量较低的介电常数的介质、能够有效的避开容器内干扰物的影响、不受水蒸汽的影响、可以用于测量固体等优点，但同时它像所有的接触式物位测量设备一样，具有易粘附、易磨损，甚至造成断缆、受粉尘影响较大的缺点。

2.4、技术评论

我曾经在用户处，听说一种说法，采用脉冲技术比连续调频原理的雷达要好得多。我觉得这种说法是不科学。固然，FMCW技术的雷达存在着：成本相对较高，功耗较大等缺陷，但是它的工作方式保证了它的可靠性更优，信号的失真度也会降到最低。因此在一些工况较复杂的应用，依然能体现出它的优势来。当然，脉冲雷达技术经过近几年的大力发展，也有了巨大的飞跃，克服了很多技术上的缺陷，可靠性也大大地提高了。

篇6：雷达液位计故障分析与处理

1 故障分析

1.1 雷达液位计的工作原理

雷达液位计的工作原理是通过天线向被测介质物位发射微波, 然后测出微波发射和反射回来时间, 从而得到容器内液位的一种仪表, 原理如图1所示:

1.2 雷达液位计故障分析

由雷达液位计工作原理可知, 只有发射到实际物位的微波才能被准确检测和测量。根据雷达液位计工作原理, 初步判断故障原因是微波没有真正发射到实际物位。在现场处理雷达液位计故障时, 我们发现, 当我们清除掉安装套管上的结垢、擦拭雷达液位计发射电极后, 故障现象都能消除, 液位计都能恢复正常。通过一个月故障统计分析, 发现通过清除结垢, 擦拭电极的方法解决的故障大约占雷达液位计总故障的98%。由此, 确定造成雷达液位计故障的原因是微波没有真正发射到实际物位。

2 故障处理

是什么原因造成雷达液位计安装套管上结垢、发射电极脏污呢?在现场, 从拆掉的液位计安装孔往罐里看, 搅拌电机扬起的物料浆液不时从安装套管处溅出, 附着在套管壁上, 同时伴随着蒸汽排出。由此发现安装套管上结垢的原因是物料溅出形成的, 发射电极脏污是由于物料溅出或者是蒸汽冷却后形成的水珠。由于套管结垢和发射电极脏污导致微波在发射过程中, 遇到障碍物产生错误的回波导致雷达液位计测量故障。

在现场, 发现只要搅拌电机启动, 都会扬起浆液, 这在生产过程中是无法避免的。怎样才能克服搅拌电机甩浆结垢的问题成为解决故障的关键。针对套管结垢问题, 通过分析认为可以通过加大安装套管直径的方法来解决。理由有两点:一是安装套管结垢也是随时间逐渐增多的, 相对直径小的安装套管来说, 大直径的安装套管结垢程度达到影响发射波在时间上要远大于小直径安装套管。也就是说, 安装在大直径安装套管上的雷达液位计故障周期要远大于安装在小直径安装套管上的雷达液位计。其二, 大直径的安装套管结垢达到一定程度后, 在重力作用下, 部分结垢会自行脱落。

解决发射电极脏污也是一个非常麻烦的问题。造成发射电极脏污的主要原因主要有两个方面:一是搅拌电机甩浆导致发射电极脏污, 二是容器内蒸汽冷却后形成的水珠附着在发射电极上阻碍了微波的发射。在现场我们注意到, 一定功率下的电机甩浆高度都不超过某一特定高度。从这一发现可以得出:当雷达液位计的安装高度高于某一特定高度后, 搅拌电机甩浆就不可能对发射电极造成任何影响。怎样避免容器内蒸汽冷却后形成水珠, 这在现场环境下, 这基本是不可能实现的。在查阅资料过程中, 我们发现厂家有一种材料为特氟龙的隔离装置, 这种材质即不妨碍微波的发射, 同时又能起到隔离的作用。将隔离装置按一定方式安装后, 可以防止容器内蒸汽与发射电极隔离开来, 同时使附着在隔离装置上的冷凝水在形成后按一定形式分布, 达到不影响微波发射。

根据理论分析和现场实际, 我们提出雷达液位计故障解决方案:一是增大安装套管的直径并同时增加安装套管的高度;二是采用隔离装置并按一定形式安装。如图3所示。

我们在催化剂厂R-40/1、R-40/2容器上进行了实验, 效果非常明显。通过改造前后效果对比发现, 以前R-40/1、R-40/2每天都会有6、7次故障, 改造后基本没有故障出现, 达到了攻关的目的。

为了保证雷达液位计无故障长周期运行, 液位计安装是重要一环, 在安装中还要注意以下几个方面:

(1) 天线要平行于测量容器槽壁, 以利于微波的传播。

(2) 安装位置距槽壁距离应大于30cm, 以避免微波发射到槽壁上产生虚假的回波信号。

(3) 尽量避开下料区、进料帘和漩涡。因为液体在注入时会产生幅度比被测液体反射的有效回波大得多的虚假回波。同时漩涡引起的不规则液位会对微波信号产生散射, 从而引起有效信号的衰减, 所以应避开它们。对于搅拌器等容器, 搅拌时会产生不规则的漩涡, 会造成雷达信号的衰减。同时搅拌器的叶片也会对微波信号造成虚假的回波, 特别是被测物体的相对介电常数较小和低液位时, 搅拌器所造成的影响更为严重。

(4) 接管直径应小于或等于屏蔽管长度 (100mm或250mm) 。

(5) 雷达液位计用于测量腐蚀性和易结晶的物体液位时, 为了防止介质对传感器的影响, 制造厂一般都采用带有聚四氟乙烯测量窗和分离法兰结构。这些部件的温度不能太高, 聚四氟乙烯的最高温度为200摄氏度。为了避免高温对雷达天线的影响, 也为了防止天线上存在的结晶物影响仪表正常工作, 要求法兰断面和最高液位之间至少有100-800mm的安全距离。

此外, 雷达液位计在使用过程中, 最常见的故障是仪表输出老在最大值。产生此故障的原因最大的可能是雷达液位计发射天线或隔离窗下面有水珠或脏污。处理的办法也很简单, 拆下液位计, 用干净柔软的棉布擦干天线或隔离窗下面的水珠或脏污, 重新启动液位计后一般可恢复正常。需要注意的是, 在擦洗雷达液位计发射天线时, 最好用绸布或柔软的棉布蘸酒精、汽油等溶剂擦拭发射天线, 不可用碱性溶剂擦洗, 最后要将发射天线擦拭干净。

雷达液位计的日常检查维护主要是看电源电压和输出电流以及检查表体温度是否正常。仪表通电后, 大约需要几分钟左右仪表就能正常工作。如果投用后仪表没有输出, 则应检查电源是否真正接上, 并检查保险丝是否烧坏。对于不超过2个月的短期停运, 仪表电源不必切断。雷达液位计雷达头内部的使用温度为65℃左右。一般使用情况下是不会超过这个温度的, 但若被测介质温度很高, 则雷达头内部的使用温度可能超过65℃。这时, 可以用少量的仪表风经Φ6×1紫铜管子吹入雷达表头, 将表头内部的温度降下来, 绝对不要用水或其他液体进行机械冷却。雷达液位计使用是和设备连成一体的, 整个系统是密封的, 所以平时还应检查各部件连接处的密封情况是否良好。

3 结论

雷达液位计是一种高可靠高性能仪表, 在实际运用中, 仪表本体的故障率极低, 多数故障都是由于现场使用环境恶劣造成的。所以, 通过改良雷达液位计的安装可以很大程度降低雷达液位计故障频次高的问题。

参考文献

[1]朱炳兴, 王森.仪表工试题集:现场仪表分册[M.]北京:化学工业出版社, 2003.

[2]Saab罗斯蒙特5600英文操作手册[Z], 2008.

篇7：浅谈雷达物位计在工业行业的应用

【关键词】雷达物位计；FMCW

随着我国的工业发展水平在不断提高，也推动了仪表行业的快速发展，其中，雷达物位计作为其中最常用的测量仪器被越来越广泛应用。智能雷达物位计凭借自身特殊的非接触式测量的特性，经常被应用于对有污染性和腐蚀性的介质进行准确的测量，主要适用于化工、石化、化纤、食品行业及一般工业应用。随着雷达物位计在市场普遍应用，本文以KROHNE公司BM70X系列雷达物位计为例，着重探讨它的选型，安装以及使用方面的一些常见问题，分析原因解决使用中的问题。

1.雷达物位计简介

KROHNE公司BM70X系列雷达物位计采用非接触式测量方法。该技术目前较成熟测量技术在化工、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物位计的使用优势.连续准确测量：由于雷达物位计不与被测介质接触，且受温度、压力、气体等影响非常小。维护方便，操作简单：雷达物位计具有故障报警及自诊断功能。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。安装简单：在各行业应用中，雷达物位计可直接安装到储罐顶部，安装十分简单。

产品特性，10Ghz FMCW非接触雷达技术，具有高精度，高稳定性，高可靠性；二线（四线）制供电4-20MA+HART输出，PD-CAT软件支持，模块化设计，免维护。

2.雷达物位计的基本测量原理

雷达液位计目前有两种主要使用的测量方式，微波脉冲（PTOF）测量方式，连续波线性调频（FMCW）测量方式.，FMCW优点是使用更高更宽的微波信号，能够更好的分辨反射信号，更容易降低烦扰信号的影响；更高的发射频率，更小的发射角度，更好的抗反射信号干扰；更高的发射频率，对于相同量程测量，能够使用更小的天线直径。

BM70X雷达物位计使用的是（～10GHz）高频信号.这个信号能够在测量间频率不断线性增加（频率扫描）的技术.雷达信号由发射天线，介质表面反射，并被再次接收频率差信号Δf的过程.频率差Δf是根据实际发射频率与接收频率的差值计算出来的.它直接对应着信号传输的距离.频率差通过FFT（傅立叶）公式转换成频谱.信号传输的距离根据这个频谱可以计算出来.物位的高度就是罐的高度与这个距离的差值。

3.雷达物位计的选型

根据雷达液位计设计使用环境的不同，选型要求必须考虑一下几个条件：

3.1被测介质的介电常数

被测介质的导电性，介电常数，不小于1.5；当介电常数小于3时，建议使用静井式测量；对于杆状天线侵入介质测量，要求介电常数不小于4。

3.2测量精度

普通型雷达液位计测量精度±10mm.分辨率1mm；高精度雷达液位计精度可达±1mm.分辨率0.1mm.根据实际使用要求选择。

3.3使用环境

工业生产环境复杂，物位测量有储存罐，过程罐，搅拌罐等，液体，浆料及固体颗粒材料；测量量程小于20m或者更大。复杂环境使用抗干扰强的仪表。

综上必须提供的参数：介质名称、压力、温度、密度和介电常数，罐高、量程，电源，防爆型式和等级，法兰标准、口径、压力等级及材质。出厂仪表缺省设置值，出厂仪表都配带有配置清单供用户参考；如缺省设置罐高：10米，缺省死区：300/400/500MM，缺省量程：10米-死区，4～20mA对应缺省罐高。

4.雷达物位计的安装

仪表的安装在使用中也是重要的环节，只有科学合理的安装，才能避免干扰，测量部稳定等外来因素，使仪表使用安全可靠。

4.1仪表要垂直于物料表面（平行于测量槽壁）安装，才能产生正常反射接受信号，安装位置要求如下