物位計(jì)測(cè)量技術(shù)分析及應(yīng)用研究

引言

　　調(diào)頻連續(xù)波( frequency modulated contin - uous wave，F(xiàn)MCW)雷達(dá)是一種通過(guò)對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來(lái)獲得距離與速度信息的雷達(dá)體制系統(tǒng)，由于它具有無(wú)距離盲區(qū)、高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注。

　　一、物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展

　　物位測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)上從機(jī)械式儀表向電子式儀表發(fā)展，以及工作方式上由接觸式向非接觸式發(fā)展的階段。

　　物位儀表的分類如圖1所示。

　　圖1中，前4種測(cè)量技術(shù)都屬于接觸式測(cè)量方法，第5種輻射法為非接觸測(cè)量方法。其中，直視法是指眼睛可以直接觀測(cè)到介質(zhì)容量變化的一類方法;測(cè)力法是指通過(guò)被測(cè)介質(zhì)對(duì)指示器或傳感器等目標(biāo)施加外力來(lái)測(cè)量的方法;壓力法是由被測(cè)介質(zhì)施加在測(cè)量探頭而產(chǎn)生壓力進(jìn)行測(cè)量的方法;電特性法是利用被測(cè)介質(zhì)的電特性進(jìn)行測(cè)量的方法;輻射法采用電磁頻譜原理技術(shù)。

　　前4種方法需要測(cè)量?jī)x器的全部或一部分部件與被測(cè)介質(zhì)(固體或液體物料)相接觸才能達(dá)到測(cè)量的目的。從長(zhǎng)期來(lái)看，物料粘附物及沉積物會(huì)對(duì)這些機(jī)械部件產(chǎn)生附著，當(dāng)物料為腐蝕性或易產(chǎn)生水銹的介質(zhì)時(shí)，對(duì)儀器精度的影響將更加嚴(yán)重。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)物位儀表最基本的要求是高精度和高可靠性，這就需要有應(yīng)用范圍更大、精度更高的技術(shù)出現(xiàn)。

　　二、TOF測(cè)量原理

　　近幾年來(lái)，發(fā)展較快的是行程時(shí)間或傳播時(shí)間ToF ( time of flight )測(cè)量原理，又稱回波測(cè)距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時(shí)間來(lái)進(jìn)行度量的一種方法。能量波在信號(hào)源與被測(cè)對(duì)象之間傳遞，能量波到達(dá)被測(cè)對(duì)象后被反射并返回到探頭上被接收，屬于非接觸測(cè)距。

　　ToF 測(cè)量技術(shù)可以利用的能量波有機(jī)械波(聲或超聲波)、電磁波(通常為K波段或X波段的微波)和激光(通常為紅外波段的激光)，相應(yīng)的物位計(jì)稱為超聲波物位計(jì)、微波物位計(jì)和激光物位計(jì)。

　　天線發(fā)射器向距離為R被測(cè)量物料發(fā)射能量波，經(jīng)被測(cè)量介質(zhì)反射，由天線的接收器接收。能量波來(lái)回所經(jīng)過(guò)的時(shí)間用td表示，可得到距離R與時(shí)間td 的關(guān)系為：td=2R/c (l) 式中：c為空氣中能量波的傳播速度，當(dāng)以聲波為能量源時(shí)，c=340m/s;當(dāng)以電磁波為能量源時(shí)，c=3×l08m/s。非接觸測(cè)量方法正是利用式(l)中距離R與時(shí)間td的關(guān)系，以不同的方式通過(guò)時(shí)間差td求得距離R的。

　　三、雷達(dá)物位計(jì)分類

　　盡管輻射法物位計(jì)都是采用ToF測(cè)量原理，但所采用的能量波不同時(shí)，信號(hào)的反射機(jī)理及在信號(hào)處理等方面都有很大的不同。以現(xiàn)在常用的超聲波和微波物位計(jì)為例，它們都采用ToF測(cè)量原理，都需要一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)回波信號(hào)接收器，但兩種能量波在頻率范圍、反射方法以及對(duì)于包含距離信號(hào)的反射波的處理上都有比較大的差別。