導波雷達液位計 是什么測量原理
0、引言：
無論是在工業(yè)生產還是在日常生活中,對于液位測量,如河流和湖泊水箱測量等,特別是在工業(yè)生產領域,水平測量具有不可或缺的重要作用。在不同的工業(yè)領域,液位測量要求不一樣,由于不同的工業(yè)領域,測量環(huán)境不同,待測液體,測量范圍和精度要求不同,液位計是一種重要的儀器。在油田、化工等領域已廣泛應用液位計來測量液位,可以掌握實際的液位值水平,從而保證生產的可靠運行,為經濟核算提供依據。
在當前水平測量中,測量精度是***重要的指標,無論是小型集裝箱、大型油罐還是河湖水庫。例如:石油和化工工業(yè)在使用儲油能力很大,甚至高100000m3,即使測量誤差很小的液位,也會造成很大的誤差的容量值。因此,提高任何液位測量系統(tǒng)中液位測量的精度是非常重要的。隨著信號處理技術和電子技術的快速發(fā)展,液位計測量技術通過機械開發(fā)到機電一體化,并且機電一體化和自動化的發(fā)展,近年來,微處理器被引入液位計,液水平測量技術發(fā)生了革命性的變化,其測量精度和分辨率變高,范圍從幾厘米到幾十米,越來越智能化、向小型化、集成方向發(fā)展[1] 。
1、國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢：
通過科研工作者的努力,目前市場上有多種液位計。在實際使用中,用戶可以根據期望的精度和不同的測量環(huán)境選擇正確的液位計。普通液位計包括伺服液位計、超聲波液位計、激光液位計、磁致伸縮液位計、R射線液位計、光纖液位計、雷達液位計等。
應用浮力平衡伺服液量計的原理,根據液位,浮子在被測對象中,不同液體對不同浮力,重力通過敏感裝置測量浮子的重量,測量液位值。型式液位計采用伺服電機提升自動控制浮子,是一種自動跟蹤高精度液位計液位的變化,其液位測量精度可達±0.7mm,測量靈敏度可達0.1mm。動態(tài)跟蹤誤差可達到0.1 mm。伺服液位計也可以做出遠程信號,可以由于不同原因的附加水平而出現(xiàn)鋼絲繩重量補償。此外,伺服液位計還可以接口測量液體密度和不同的液體位置參數(shù)。液位計幾乎沒有傳動部件,因此,具有高可靠性。國際上,荷蘭Enraf公司開發(fā)的ATG854和XTG854伺服液位計,可以實現(xiàn)+1mm的測量精度。中國打破了國外技術的壟斷地位,在2003年開發(fā)的BJLM-80伺服級中,填補了空白,液位測量精度可以達到±1mm,液體界面的測量精度可以達到±2mm。
超聲波液位計采用時域反射原理,聲波在空氣中傳播,當被測液面反射后,通過測量發(fā)射和反射信號的時間差可以從傳感器計算到表面的距離,然后得到高度。超聲波液位計可以基于智能分析反射信號,可以過濾干擾,分析信號強度,識別多個回波,使得即使在干擾的情況下,液位計讀數(shù)也是準確的。使用新型氣密超聲波液位計可測量高達15m的液位。E+H公司推出FMU40/41超聲波液位計,可以實現(xiàn)測量精度為2mm。目前,與國外產品相比,國內超聲波液位計的發(fā)展相對落后,缺點主要體現(xiàn)在測量精度和盲區(qū)的距離。國外超聲波液位計盲區(qū)一般在5cm~10cm,測量精度在1%左右的范圍內;國內超聲波液位計盲區(qū)面積約30m,測量精度在約1.5%的范圍內。
雷達液位計是基于電磁波反射原理設計的。它不受介質的粘度,密度和蒸氣的影響,并且具有高精度。使用不同的超聲波,電磁波傳播介質在稀釋氣體,真空或半液體蒸汽的條件下一半擴散,其傳播速度不受氣體和液體的任何波動的影響。因此,它可以用于液位測量揮發(fā)性液體,以及高溫高壓,具有很強的適應能力。根據不同的測量方法,雷達液位計可分為兩種類型的調頻連續(xù)波和脈沖類型。
2、導波雷達液位計的總體方案：
本主題設計的導波雷達液位計由電路部分和機械部分組成,其中電路部分可分為控制和信息處理模塊,信號調制模塊,收發(fā)器電路模塊,機械部分分為同軸和同軸波導桿探頭兩部分。導波雷達液位計的組成框圖如圖1所示。
圖1 導波雷達液位計的組成框圖Fig.1 Block diagram of composition of the guided wave radar level gauge
控制和信息處理模塊的主要功能是根據要調制的信號和液位計算來控制系統(tǒng)的操作;用于產生發(fā)射信號和采樣信號的信號調制模塊的主要功能,以及接收信號處理的反射;主要功能模塊的收發(fā)電路用于信號傳輸同軸電纜傳輸、同軸波導桿以及反射信號采樣。同軸電纜和同軸波導桿探頭作為電磁脈沖信號的傳輸介質,同軸電纜功能電路和探頭頂部的同軸連接液位計波導桿,同軸波導桿探頭設置在液罐,液體垂直進入體內。
2.1、導波雷達液位計的系統(tǒng)原理：
本文采用脈沖導波雷達液位計,采用時域反射法(TDR)原理對液位進行液位測量。電路電平表發(fā)射器脈沖信號,并通過信號收發(fā)器電路傳輸?shù)酵S電纜,電磁脈沖信號沿同軸電纜和同軸波導桿傳輸后,當它遇到空氣界面和待測液體時會產生反射脈沖信號,沿同軸波的反射信號引導棒和同軸電纜反向傳播,***終信號電平表接收電路捕獲。液位計的工作示意圖如圖2所示。
圖2 電磁脈沖信號的傳播示意圖Fig.2 Sketch of electromagnetic pulse propagation
通過測量電磁脈沖信號在同軸波導管探頭T上的傳播時間,可以獲得導桿頂部和待測液位之間的距離。H的高度和信號傳播時間T之間的關系如式(1)所示:
式(1)中,L是導波桿的長度,V是電磁脈沖的傳輸速度。
為了提高小時間間隔T的分辨率,使用等效采樣方法來捕獲反射信號。是發(fā)射信號中的過程的等效采樣特性并接收反射信號,只有有限的時間來完成信號采樣,但在測量期間,信息可以被放入下一個發(fā)射信號中并接收反射信號過程將一直持續(xù)到完成抽樣,抽樣所需信息。這可以利用較低的采樣頻率實現(xiàn)更高的時間分辨率,從而提高測量的精度[2] 。
圖3 導波雷達液位計系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Diagram of guided wave radar level gauge system
圖4 信號調制模塊的系統(tǒng)組成框圖Fig.4 Signal modulation system block diagram
3、導波雷達液位計的硬件組成：
本文設計的導波雷達液位計采用模塊化設計思想,由電路部分和機械部分組成,其中電路部分分為3個模塊,分別為控制和信息處理模塊、信號調制模塊、收發(fā)器電路模塊,機械部分由同軸電纜和同軸波導桿組成。
電路電平表,控制和信息處理模塊可分為CPU電路和外圍電路;信號調制模塊可分為傳輸和反射采樣信號調制電路和信號調制電路;收發(fā)器電路模塊可分為提取電路接收電路和反射信號。如圖3所示為本文設計的雷達液位計系統(tǒng)示意圖。
在導波雷達液位計系統(tǒng)中,控制及信息處理模塊的主要功能為:
1)產生系統(tǒng)所需要的時鐘信號PWMO、控制信號PWM1及基準信號PWM2。其中,PWMO是頻率為460KHz的方波信號,PWM1是頻率為10Hz,占空比為30%的信號,PWM2是頻率為10Hz,占空比為35%的信號。
2)將接收到的反射信號與基準信號進行對比,得到電磁脈沖信號在導波桿上的傳播時間,經過處理計算后得到實時的液位值。
3)接收鍵盤輸入的信息,完成系統(tǒng)測量參數(shù)的調整或是功能菜單的轉換。
4)控制LCD實時的顯示信息。
5)完成與上位機的通信功能。
信號調制模塊的主要功能為:
a)在PWM1信號的控制下,對PWMO信號進行調制,產生頻率為460KHz的尖脈沖信號作為發(fā)射信號,同時產生一個頻率略低于460KHz的信號作為采樣信號。
b)對捕獲到的反射信號進行調制,將其轉換為CPU可以識別的邊沿信號。
收發(fā)電路模塊的主要功能為:
(1)發(fā)送信號被發(fā)送到同軸電纜,并且采樣信號的影響在同軸電纜上進行信號等效采樣。
(2)從等效采樣信號中提取反射信號并發(fā)送到信號調制模塊。液位計的機械部分由同軸電纜和同軸波導棒探頭組成。波導棒探頭安裝在液體容器罐口內,垂直插入被測液體,探頭端部到罐底,當傳輸信號傳到表面時,反射信號,反射信號沿著波導桿探頭和同軸電纜和反向傳輸,收發(fā)器電路模塊液位計采集。
圖5 采樣信號的獲得原理Fig.5 Sample signal the access principle
3.1、信號調制模塊：
導波雷達液位計的信號調制模塊由鋸齒波發(fā)生電路,發(fā)射采樣信號發(fā)生電路和反射信號調制電路三部分組成。如圖4所示顯示了信號調制模塊的系統(tǒng)框圖。
在本課題所設計的導波雷達液位計中,發(fā)射信號由發(fā)射及采樣信號產生電路直接對頻率為460KHz的PWMO信號進行調制得來,其頻率也為460KHz,由此易知,反射信號的頻率也為460KHz。為了完成對測量周期內的反射信號的等效采樣,采樣信號的周期應該略大于反射信號,即若反射信號的周期為T,則采樣信號的周期應為T+OT。因此,若假設第1個采樣信號與第1個反射信號同相位,則第二個采樣信號比第二個反射信號延遲△T,第3個采樣信號比第3個反射信號延遲24T,以此類推,第n個采樣信號將比第n個發(fā)射信號延遲n4T,直至測量周期結束,隨著兩信號相位差的逐漸擴大,完成對反射信號的掃描,實現(xiàn)反射信號的等效擴展。
為了得到這個延遲采樣信號的步進,產生鋸齒波信號的緩慢上升,負尖峰脈沖信號與頻率和相位疊加是同一個發(fā)射信號,然后通過NAND門合成信號,當振幅低于閾值電壓,門與NAND門的輸出端,從低電平變?yōu)楦唠娖?可以得到一個階躍延遲信號,原理如圖5所示。當步長延遲信號被調制時,可以獲得采樣信號。
4、同軸電纜與同軸導波桿的選型：
在文中,導波雷達液位計的設計,包括同軸電纜的機械部分和同軸導波探頭,用作液位傳感器使用。同軸電纜用于連接導波電路和同軸波雷達液位計波導桿,通過調節(jié)同軸電纜的長度,可以安裝在液位計上遠離水箱,方便工作人員液位監(jiān)測;同軸導桿安裝在波浪頂部的液體槽中,插入待測液體中,末端到槽底,用于測量液面高度。
因為導波雷達液位計的發(fā)射信號功率比較小,所以為了保證發(fā)射信號與反射信號的衰減***小,選取了特性阻抗為75Ω的同軸電纜,并將同軸導波桿的外殼內徑D與內導體外徑d之比設計為3.6。如圖6所示為同軸電纜的結構示意圖。
圖6 同軸電纜的結構示意圖Fig.6 Coaxial cable schematic
同軸電纜內導體的中心,外絕緣層被一定厚度包圍,在金屬屏蔽層外,材料和形狀為銅或鋁網膜,外層為塑料護套,用于保護同軸電纜。如圖7所示為同軸導波桿的結構示意圖。
圖7 同軸導波桿的結構示意圖Fig.7 Coaxial waveguide structure
同軸波導由316L奧氏體鋼制成,具有耐高溫和耐腐蝕特性,可在惡劣的環(huán)境下工作。空氣用作同軸波導桿的內導體和外導體之間的絕緣介質。當液體插入待測量的液體中時,液體將侵入導桿的內導體和外導體。發(fā)射脈沖在同軸導線內部和外導體桿之間以電磁波的傳播形式進行,當遇到空氣和液體界面時,同軸導波桿的特征阻抗發(fā)生變化,導致反射信號。
4.1、導波雷達液位計的測試環(huán)境：
為了對導波雷達液位計的實際工作特性進行測試,搭建了一套液位測試試驗平臺來模擬測試現(xiàn)場的實際情況。該實驗平臺由長度為1.2m、直徑為120mm的玻璃管、標尺、注水管、放水管組成,其示意圖如圖8所示。
因為玻璃管是透明的,可以在實驗過程中實時觀察液面的位置,這可以反映導波雷達液位計的精度和靈敏度。在測量過程中,將玻璃管中充滿水,然后打開排水管,調整排水速度,然后測量液位計的電流值,液位讀數(shù)和導波雷達液位計顯示比較。
圖8 液位測試試驗平臺Fig.8 Hydraulic test platform
由于測量條件有限,在測量過程中,選取液位計量程為1m以下,調整其液位顯示方式為XXX.Xmm。
4.2、導波雷達液位計的試驗結論：
導波雷達液位計的實驗分為兩部分,即波形測試和數(shù)據測試。通過波形測試,證明導波雷達液位計反射波形與發(fā)生時間的極性和理論結果相同,說明使用的測量原理是可行可靠的。為了證明測量的準確性,對導波雷達液位計進行了大量的數(shù)據實驗。在本文中,列出了兩組實驗的結果。通過對數(shù)據測試結果的分析,得出以下結論:
1)導波雷達液位計的誤差范圍在3 mm以內。
2)導波雷達液位計的測量重復性小于3mm。
3)導波雷達液位計的線性度很好。
由于測試條件有限,本文只討論當測量范圍低于lm時的測量結果。本文設計的導波雷達液位計的理論射程可達到3M,測量范圍在LM以上,未來將進一步研究和測試。
5、結束語：
液位測量在石油和化工行業(yè)中起著不可或缺的作用。罐中液體的液位可以通過液位計實時測量,并且可以實時掌握當前液位值。雷達液位計不受介質的粘度,密度和蒸汽的影響,具有高精度。因此,被廣泛應用于工業(yè)領域。