物位計測量技術難點剖析

　　摘要：調頻連續波雷達是一種通過對連續波進行頻率調制來獲得距離與速度信息的雷達體制系統，由于它具有無距離盲區、高分辨率和低發射功率等優點，近年來受到了人們的廣泛關注。本文針對上述觀點，介紹了物位計測量技術的一些難點，進行了深度剖析，供參考。
　　
　　引言
　　
　　調頻連續波（frequencymodulatedcontin-uouswave，FMCW）雷達是一種通過對連續波進行頻率調制來獲得距離與速度信息的雷達體制系統，由于它具有無距離盲區、高分辨率和低發射功率等優點，近年來受到了人們的廣泛關注。
　　
　　一、物位測量技術發展
　　
　　物位測量技術經歷了結構上從機械式儀表向電子式儀表發展，以及工作方式上由接觸式向非接觸式發展的階段。　　　　
　　圖1中，前4種測量技術都屬于接觸式測量方法，第5種輻射法為非接觸測量方法。其中，直視法是指眼睛可以直接觀測到介質容量變化的一類方法；測力法是指通過被測介質對指示器或傳感器等目標施加外力來測量的方法；壓力法是由被測介質施加在測量探頭而產生壓力進行測量的方法；電特性法是利用被測介質的電特性進行測量的方法；輻射法采用電磁頻譜原理技術。
　　
　　前4種方法需要測量儀器的全部或一部分部件與被測介質（固體或液體物料）相接觸才能達到測量的目的。從長期來看，物料粘附物及沉積物會對這些機械部件產生附著，當物料為腐蝕性或易產生水銹的介質時，對儀器精度的影響將更加嚴重。在工業生產中，對物位儀表zui基本的要求是高精度和高可靠性，這就需要有應用范圍更大、精度更高的技術出現。
　　
　　二、TOF測量原理
　　
　　近幾年來，發展較快的是行程時間或傳播時間ToF（timeofflight）測量原理，又稱回波測距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時間來進行度量的一種方法。能量波在信號源與被測對象之間傳遞，能量波到達被測對象后被反射并返回到探頭上被接收，屬于非接觸測距。
　　
　　ToF測量技術可以利用的能量波有機械波（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），相應的物位計稱為超聲波物位計、微波物位計和激光物位計。
　　
　　天線發射器向距離為R被測量物料發射能量波，經被測量介質反射，由天線的接收器接收。能量波來回所經過的時間用td表示，可得到距離R與時間td的關系為：td=2R/c（l）式中：c為空氣中能量波的傳播速度，當以聲波為能量源時，c=340m/s;當以電磁波為能量源時，c=3×l08m/s.非接觸測量方法正是利用式（l）中距離R與時間td的關系，以不同的方式通過時間差td求得距離R的。
　　
　　三、雷達物位計分類
　　
　　盡管輻射法物位計都是采用ToF測量原理，但所采用的能量波不同時，信號的反射機理及在信號處理等方面都有很大的不同。以現在常用的超聲波和微波物位計為例，它們都采用ToF測量原理，都需要一個信號發生器和一個回波信號接收器，但兩種能量波在頻率范圍、反射方法以及對于包含距離信號的反射波的處理上都有比較大的差別。
　　
　　3.1超聲波物位計與微波物位計
　　
　　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，微波使用的頻段規定在4~30GHz：之間，典型波段為5.8GHz、10GHz、24GHz.5.8GHz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。
　　
　　聲波是機械波，頻率范圍為20Hz~20kHz，因此，當聲波的振動頻率高于20kHz或低于20kHz時，我們便聽不見了。我們把頻率高于20kHz的聲波稱為“超聲波”。
　　
　　電磁波與聲波產生的原理是不同的，聲波是靠物質的振動產生的，在真空中不能傳播；而電磁波是靠電子的振蕩產生的，其本身就是一種物質，傳播不需要介質，能在真空中傳播。這兩種波在通過不同的介質時都會發生折射、反射、繞射和散射及吸收等現象，物位計正是應用這種特性來測量距離的。
　　
　　超聲波物位計由聲納技術衍化而來，其安裝方式有頂部安裝和底部安裝兩種。早期的超聲物位計采用的也是液體導聲，超聲探頭安裝在料罐底部外，超聲波從底部傳入，經被測液體傳播到液面，反射后傳回探頭。超聲波傳播時間與液位的高低成正比。由于超聲波在各種被測介質中傳播的聲速不同，所以很難做成通用產品；且料罐底部（尤其是液體料罐的底部）安裝探頭的方法在實用中往往也有困難。因此，在實際工業過程中，利用空氣作為導聲介質的頂部安裝應用越來越廣泛。