西門(mén)子導波雷達物位計在鋼鐵廠(chǎng)中的應用

　　1. 概述

在科技日新月異的今天，物位測量技術(shù)已經(jīng)從最初的重錘、投尺等傳統的機械式測量方式發(fā)展為包含雷達、核輻射等高技術(shù)含量的測量技術(shù)，覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)中的絕大多數物位測量需求，核輻射技術(shù)因為其特殊性，應用范圍有其局限性，在此不作贅述，而原先由軍用雷達發(fā)展而來(lái)的雷達物位測量技術(shù)正日益成為物位測量的主流趨勢。
　　
　　所謂的雷達測量技術(shù)包含兩種：微波雷達(非接觸式)以及導波雷達，其中微波雷達技術(shù)隨著(zhù)成本的降低和在諸多苛刻工況應用中的優(yōu)異測量效果得到廣大用戶(hù)的認可，但這并不意味著(zhù)微波雷達技術(shù)就是一種萬(wàn)能的測量技術(shù)，可以測量所有的介質(zhì)；相對而言，全新的導波雷達技術(shù)(Guide Wave Radar)恰恰彌補了微波雷達的不足之處。
　　
　　2. 雷達技術(shù)比較及導波雷達的原理

顧名思義，微波雷達物位計指通過(guò)空間發(fā)射、傳播和接收電磁微波的物位測量?jì)x表，導波雷達則是通過(guò)某一種形式的波導體來(lái)傳導、發(fā)射和接收電磁微波的、物位測量?jì)x表。
　　
　　微波雷達儀表測量物位具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、不與介質(zhì)接觸；2、高頻電磁波信號易于長(cháng)距離傳送，可測大量程；3、不受空間氣相條件變化的影響

微波雷達通過(guò)發(fā)射和接收高頻(GHz)級電磁波，計算電磁波達到物位表面并反射回到接收天線(xiàn)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行物位測量，而電磁能量的傳送不易受到傳播空間性質(zhì)的局限性，它可以在高/低壓(真空)或具有汽化介質(zhì)的條件下傳播，并且氣體的波動(dòng)亦不影響電磁波的傳播。
　　
　　普通微波雷達物位測量?jì)x表天線(xiàn)的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號，當這種信號在空氣中傳播時(shí)，能量衰減較快，當微波信號到達物位表面并反射時(shí)，信號強度也就是振幅，與介質(zhì)的介電常數有直接關(guān)系，介電常數非常低的非導電類(lèi)介質(zhì)，如烴類(lèi)液體，反射回來(lái)的信號非常弱，這種被削弱的信號在返回至安裝于罐頂部的接收天線(xiàn)的途中，能量又進(jìn)一步衰減，微波雷達物位計接收到的返回信號能量大致只有發(fā)出信號能量的1% !當用于上述條件介質(zhì)，接觸式微波雷達物位儀表的性能指標會(huì )有所降低甚至無(wú)法正常使用。
　　
　　為了彌補接觸式雷達物位計的這些不足之處，導波雷達物位儀表應運而生，導波雷達的工作原理與前述雷達非常相似，GWR的基礎是電磁波的時(shí)域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS 等時(shí)采樣原理。多年來(lái)TDR一直被用于檢測發(fā)現埋地電纜和墻內埋設電纜的斷頭。
　　
　　測電纜斷頭時(shí)，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號沿電纜傳播，到達斷頭處就會(huì )產(chǎn)生測量反射脈沖；TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生數十萬(wàn)個(gè)能量脈沖沿波導體傳導，當到達介質(zhì)表面時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)物位反射原始脈沖；與此同時(shí)在探頭的頂部預設一個(gè)定值阻抗，用以產(chǎn)生一個(gè)可靠的基準脈沖，該脈沖又稱(chēng)為基線(xiàn)反射脈沖。雷達物位計檢查到物位反射原始脈沖，并與基線(xiàn)反射脈沖相比較，從而得到物位測量的數值，這就是導波雷達物位儀表的工作過(guò)程。
　　
　　同時(shí)，在接收器中預先設定的與電纜總長(cháng)度相應的阻抗變化也引發(fā)出一個(gè)基準脈沖，將反射脈沖與基準脈沖相比較，可精確定位斷頭的位置。將該原理用于物位測量時(shí)，ETS等時(shí)采樣原理用于測量高速、低功率的電磁信號，是基于TDR 的液位測量技術(shù)應用的關(guān)鍵。眾所周知，高速的電磁信號短距離的測量是很困難的，ETS實(shí)時(shí)捕捉電磁信號(UIS)，并且在等值的時(shí)間里重新構造它們，以利于更好使用先進(jìn)的技術(shù)測量。
　　
　　物位測量技術(shù)發(fā)展到今日，已出現許多種成熟可靠的物位測量?jì)x表，以其不同的性能和特定的適用范圍在不同條件的液位測量中發(fā)揮著(zhù)重要的作用：壓力/壓差測量液位法；射頻導納/電容液位計；超聲波液位計和浮筒液位計等都已在工業(yè)上有了數十年的成功使用經(jīng)驗，但導波雷達液位計以其具有明顯的使用優(yōu)點(diǎn)及性能更加引起大家的關(guān)注：1) 能耗低。GWR輸出到波導探頭的信號能量小，約為非接觸式雷達發(fā)射能量的10%。這是因為波導體為信號至介質(zhì)表面傳播提供一條快捷高效的通道，信號的衰減保持在最小程度。
　　
　　2) 能量強。由于信號在波導體中傳輸不受液面波動(dòng)和儲罐中的障礙物等的影響，因而儀表所接收到的返回信號能量相應較強，約為所發(fā)射能量的20%。
　　
　　3) 范圍廣?；谏弦惶匦?，對于低介電常數的介質(zhì)導波雷達擁有令人滿(mǎn)意的表現，以西門(mén)子LG200產(chǎn)品為例，其可測的最低介電常數竟為1.4!
　　
　　4) 介電常數的變化對測量性能無(wú)影響。信號自烴類(lèi)(介電常數2~3)液體表面或水(介電常數80)反射的時(shí)間一樣，不同的只是信號幅度的差別，微波雷達需考慮介質(zhì)進(jìn)而經(jīng)過(guò)篩選才可得到準確測量值，假定接收信號強度改變，信號的篩選就會(huì )受到影響；導波雷達由于能量集中可避開(kāi)諸多干擾則無(wú)此顧慮。
　　
　　5) 密度的變化對測量無(wú)影響。介質(zhì)密度的變化影響浸沒(méi)于介質(zhì)中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導體中的傳播。
　　
　　6) 介質(zhì)在探桿/纜上的掛料對物位測量的影響極小。掛料有兩種：膜狀和搭橋，膜狀掛料是在料位下降時(shí)，高黏度介質(zhì)在探頭上形成的一層覆蓋，這種掛料在探桿上分布均勻，因此對測量基本無(wú)影響；但搭橋掛料的形成卻能導致明顯的測量誤差，因此在選用雙桿/纜式導體時(shí)，需要謹慎小心，充分考慮到介質(zhì)的黏度!