物位計(jì)測量技術(shù)分析及應(yīng)用研究

　　電磁波的波段非常寬，從3kHz～3000GHz ，微波是指頻率為300MHz～300CHz的電磁波。在物位檢測中，微波使用的頻段規(guī)定在4～30GHz：之間，典型波段為5.8GHz、10GHz 、24GHz。5.8 GHz 的頻率屬于C波段微波;10GHz的頻率屬于X波段微波;24GHz的頻率屬于K波段微波。

　　聲波是機(jī)械波，頻率范圍為20Hz～20kHz ，因此，當(dāng)聲波的振動頻率高于20kHz或低于20kHz時(shí)，我們便聽不見了。我們把頻率高于20kHz 的聲波稱為“超聲波”。

　　電磁波與聲波產(chǎn)生的原理是不同的，聲波是靠物質(zhì)的振動產(chǎn)生的，在真空中不能傳播;而電磁波是靠電子的振蕩產(chǎn)生的，其本身就是一種物質(zhì)，傳播不需要介質(zhì)，能在真空中傳播。這兩種波在通過不同的介質(zhì)時(shí)都會發(fā)生折射、反射、繞射和散射及吸收等現(xiàn)象，物位計(jì)正是應(yīng)用這種特性來測量距離的。

　　超聲波物位計(jì)由聲納技術(shù)衍化而來，其安裝方式有頂部安裝和底部安裝兩種。早期的超聲物位計(jì)采用的也是液體導(dǎo)聲，超聲探頭安裝在料罐底部外，超聲波從底部傳入，經(jīng)被測液體傳播到液面，反射后傳回探頭。超聲波傳播時(shí)間與液位的高低成正比。由于超聲波在各種被測介質(zhì)中傳播的聲速不同，所以很難做成通用產(chǎn)品;且料罐底部(尤其是液體料罐的底部)安裝探頭的方法在實(shí)用中往往也有困難。因此，在實(shí)際工業(yè)過程中，利用空氣作為導(dǎo)聲介質(zhì)的頂部安裝應(yīng)用越來越廣泛。

　　超聲波物位計(jì)的聲波信號是在不同聲阻率(聲阻率等于物料密度px聲速。)的界面上反射的。由于空氣和物料的密度差別很大，所以它們的聲阻率相差也很大，聲波在空氣和物料的分界面上就像在鏡面上一樣反射，并由接收器接收回波信號。但是，由于超聲波是機(jī)械波，在空氣中傳播的波長小于17mm ，傳播速度受溫度影響較大，如當(dāng)溫度為0℃ 時(shí)，聲速為331.6m/s當(dāng)溫度為20 ℃ 時(shí)，聲速為 344m/s 。因此，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，且在測量揮發(fā)性液體時(shí)，由于空氣中含有的揮發(fā)組分不同，聲速也不同，也會產(chǎn)生較大的誤差。

　　與超聲波物位計(jì)相比，雷達(dá)物位計(jì)的微波信號是在不同介電常數(shù)的分界面上反射的。介電常數(shù)是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，以字母ε表示，單位為F/m ，它通常隨溫度和介質(zhì)中傳播的電磁波的頻率變化而變化。介電常數(shù)越大，對電荷的束縛能力越強(qiáng);介電常數(shù)越小，則絕緣性愈好。某種電介質(zhì)的介電常數(shù)與真空介電常數(shù)之比εr稱為該電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。常見物料的相對介電常數(shù)如表1所示。

　　微波以光速傳播，速度幾乎不受介質(zhì)特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2dB/km 。回波信號強(qiáng)弱很大程度上取決于被測液面上的反射情況。在被測液面上的反射率除了取決于被測物料的面積和形狀外，主要取決于物料的相對介電常數(shù)εr。相對介電常數(shù)高，反射率也高，得到的回波強(qiáng)度高;相對介電常數(shù)低，物料會吸收部分微波能量，回波強(qiáng)度較低。對于普及型的雷達(dá)液位計(jì)，通常要求被測物料相對介電常數(shù)εr 〉4; 對于更低介電常數(shù)的物料，要求增設(shè)波導(dǎo)管來增強(qiáng)回波信號，或選用較復(fù)雜的雷達(dá)，通常測量下限為εr> 2。對于測量介電常數(shù)高或?qū)щ姷奈锪蠒r(shí)，有效量程要下降很多，如20m量程的雷達(dá)物位計(jì)，若用于測量煤粉，有效量程最多為7m對于測量介電常數(shù)低的塑料粒子等，測量效果也不好。

　　3.2 脈沖與調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)

　　微波物位計(jì)按使用微波的波形可分為脈沖波和調(diào)頻連續(xù)波兩大類。

3.2.1 脈沖雷達(dá)物位計(jì)