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导波雷达液位计 是什么测量原理



摘要:液位计是重要的测量仪器,在石油和化工行业中发挥着不可或缺的作用。随着信号处理技术和电子技术的快速发展,液位计测量技术通过机械开发到机电一体化,并且机电一体化和自动化的发展,近年来,微处理器被引入液位计,液水平测量技术发生了革命性的变化。导波雷达液位计是一种在开发过程中广泛应用的智能测量仪器。本实用新型具有应用范围广、抗干扰能力强、功耗低、运行稳定、成本低、能适应测量极端环境的优点。然而,与一些昂贵的液位计相比,精度不够。因此,开发高精度的新型导波雷达液位计是非常重要的。
关键词:

 

0、引言:

  无论是在工业生产还是在日常生活中,对于液位测量,如河流和湖泊水箱测量等,特别是在工业生产领域,水平测量具有不可或缺的重要作用。在不同的工业领域,液位测量要求不一样,由于不同的工业领域,测量环境不同,待测液体,测量范围和精度要求不同,液位计是一种重要的仪器。在油田、化工等领域已广泛应用液位计来测量液位,可以掌握实际的液位值水平,从而保证生产的可靠运行,为经济核算提供依据。

  在当前水平测量中,测量精度是最重要的指标,无论是小型集装箱、大型油罐还是河湖水库。例如:石油和化工工业在使用储油能力很大,甚至高100000m3,即使测量误差很小的液位,也会造成很大的绝对误差的容量值。因此,提高任何液位测量系统中液位测量的精度是非常重要的。随着信号处理技术和电子技术的快速发展,液位计测量技术通过机械开发到机电一体化,并且机电一体化和自动化的发展,近年来,微处理器被引入液位计,液水平测量技术发生了革命性的变化,其测量精度和分辨率变高,范围从几厘米到几十米,越来越智能化、向小型化、集成方向发展[1] 。

1、国内外研究现状和发展趋势:

  通过科研工作者的努力,目前市场上有多种液位计。在实际使用中,用户可以根据期望的精度和不同的测量环境选择正确的液位计。普通液位计包括伺服液位计、超声波液位计、激光液位计、磁致伸缩液位计、R射线液位计、光纤液位计、雷达液位计等。

  应用浮力平衡伺服液量计的原理,根据液位,浮子在被测对象中,不同液体对不同浮力,重力通过敏感装置测量浮子的重量,精确测量液位值。型式液位计采用伺服电机提升自动控制浮子,是一种自动跟踪高精度液位计液位的变化,其液位测量精度可达±0.7mm,测量灵敏度可达0.1mm。动态跟踪误差可达到0.1 mm。伺服液位计也可以做出远程信号,可以由于不同原因的附加水平而出现钢丝绳重量补偿。此外,伺服液位计还可以接口测量液体密度和不同的液体位置参数。液位计几乎没有传动部件,因此,具有高可靠性。国际上,荷兰Enraf公司开发的ATG854和XTG854伺服液位计,可以实现+1mm的测量精度。中国打破了国外技术的垄断地位,在2003年开发的BJLM-80伺服级中,填补了空白,液位测量精度可以达到±1mm,液体界面的测量精度可以达到±2mm。

  超声波液位计采用时域反射原理,声波在空气中传播,当被测液面反射后,通过测量发射和反射信号的时间差可以从传感器计算到表面的距离,然后得到高度。超声波液位计可以基于智能分析反射信号,可以过滤干扰,分析信号强度,识别多个回波,使得即使在干扰的情况下,液位计读数也是准确的。使用新型气密超声波液位计可测量高达15m的液位。E+H公司推出FMU40/41超声波液位计,可以实现测量精度为2mm。目前,与国外产品相比,国内超声波液位计的发展相对落后,缺点主要体现在测量精度和盲区的距离。国外超声波液位计盲区一般在5cm~10cm,测量精度在1%左右的范围内;国内超声波液位计盲区面积约30m,测量精度在约1.5%的范围内。

  雷达液位计是基于电磁波反射原理设计的。它不受介质的粘度,密度和蒸气的影响,并且具有高精度。使用不同的超声波,电磁波传播介质在稀释气体,真空或半液体蒸汽的条件下一半扩散,其传播速度不受气体和液体的任何波动的影响。因此,它可以用于液位测量挥发性液体,以及高温高压,具有很强的适应能力。根据不同的测量方法,雷达液位计可分为两种类型的调频连续波和脉冲类型。

2、导波雷达液位计的总体方案:

  本主题设计的导波雷达液位计由电路部分和机械部分组成,其中电路部分可分为控制和信息处理模块,信号调制模块,收发器电路模块,机械部分分为同轴和同轴波导杆探头两部分。导波雷达液位计的组成框图如图1所示。

图1 导波雷达液位计的组成框图Fig.1 Block diagram of composition of the guided wave radar level gauge

图1 导波雷达液位计的组成框图Fig.1 Block diagram of composition of the guided wave radar level gauge   

控制和信息处理模块的主要功能是根据要调制的信号和液位计算来控制系统的操作;用于产生发射信号和采样信号的信号调制模块的主要功能,以及接收信号处理的反射;主要功能模块的收发电路用于信号传输同轴电缆传输、同轴波导杆以及反射信号采样。同轴电缆和同轴波导杆探头作为电磁脉冲信号的传输介质,同轴电缆功能电路和探头顶部的同轴连接液位计波导杆,同轴波导杆探头设置在液罐,液体垂直进入体内。

2.1、导波雷达液位计的系统原理:

  本文采用脉冲导波雷达液位计,采用时域反射法(TDR)原理对液位进行液位测量。电路电平表发射器脉冲信号,并通过信号收发器电路传输到同轴电缆,电磁脉冲信号沿同轴电缆和同轴波导杆传输后,当它遇到空气界面和待测液体时会产生反射脉冲信号,沿同轴波的反射信号引导棒和同轴电缆反向传播,最终信号电平表接收电路捕获。液位计的工作示意图如图2所示。

图2 电磁脉冲信号的传播示意图Fig.2 Sketch of electromagnetic pulse propagation

图2 电磁脉冲信号的传播示意图Fig.2 Sketch of electromagnetic pulse propagation   

  通过测量电磁脉冲信号在同轴波导管探头T上的传播时间,可以获得导杆顶部和待测液位之间的距离。H的高度和信号传播时间T之间的关系如式(1)所示:

计算公式 

 

  式(1)中,L是导波杆的长度,V是电磁脉冲的传输速度。

  为了提高小时间间隔T的分辨率,使用等效采样方法来捕获反射信号。是发射信号中的过程的等效采样特性并接收反射信号,只有有限的时间来完成信号采样,但在测量期间,信息可以被放入下一个发射信号中并接收反射信号过程将一直持续到完成抽样,抽样所需信息。这可以利用较低的采样频率实现更高的时间分辨率,从而提高测量的精度[2] 。

图3 导波雷达液位计系统组成框图Fig.3 Diagram of guided wave radar level gauge system

图3 导波雷达液位计系统组成框图Fig.3 Diagram of guided wave radar level gauge system   

 

图4 信号调制模块的系统组成框图Fig.4 Signal modulation system block diagram

图4 信号调制模块的系统组成框图Fig.4 Signal modulation system block diagram   

 

3、导波雷达液位计的硬件组成:

本文设计的导波雷达液位计采用模块化设计思想,由电路部分和机械部分组成,其中电路部分分为3个模块,分别为控制和信息处理模块、信号调制模块、收发器电路模块,机械部分由同轴电缆和同轴波导杆组成。

电路电平表,控制和信息处理模块可分为CPU电路和外围电路;信号调制模块可分为传输和反射采样信号调制电路和信号调制电路;收发器电路模块可分为提取电路接收电路和反射信号。如图3所示为本文设计的雷达液位计系统示意图。

在导波雷达液位计系统中,控制及信息处理模块的主要功能为:

1)产生系统所需要的时钟信号PWMO、控制信号PWM1及基准信号PWM2。其中,PWMO是频率为460KHz的方波信号,PWM1是频率为10Hz,占空比为30%的信号,PWM2是频率为10Hz,占空比为35%的信号。

2)将接收到的反射信号与基准信号进行对比,得到电磁脉冲信号在导波杆上的传播时间,经过处理计算后得到实时的液位值。

3)接收键盘输入的信息,完成系统测量参数的调整或是功能菜单的转换。

4)控制LCD实时的显示信息。

5)完成与上位机的通信功能。

信号调制模块的主要功能为:

a)在PWM1信号的控制下,对PWMO信号进行调制,产生频率为460KHz的尖脉冲信号作为发射信号,同时产生一个频率略低于460KHz的信号作为采样信号。

b)对捕获到的反射信号进行调制,将其转换为CPU可以识别的边沿信号。

收发电路模块的主要功能为:

(1)发送信号被发送到同轴电缆,并且采样信号的影响在同轴电缆上进行信号等效采样。

(2)从等效采样信号中提取反射信号并发送到信号调制模块。液位计的机械部分由同轴电缆和同轴波导棒探头组成。波导棒探头安装在液体容器罐口内,垂直插入被测液体,探头端部到罐底,当传输信号传到表面时,反射信号,反射信号沿着波导杆探头和同轴电缆和反向传输,收发器电路模块液位计采集。

图5 采样信号的获得原理Fig.5 Sample signal the access principle

图5 采样信号的获得原理Fig.5 Sample signal the access principle   

 

3.1、信号调制模块:

  导波雷达液位计的信号调制模块由锯齿波发生电路,发射采样信号发生电路和反射信号调制电路三部分组成。如图4所示显示了信号调制模块的系统框图。

  在本课题所设计的导波雷达液位计中,发射信号由发射及采样信号产生电路直接对频率为460KHz的PWMO信号进行调制得来,其频率也为460KHz,由此易知,反射信号的频率也为460KHz。为了完成对测量周期内的反射信号的等效采样,采样信号的周期应该略大于反射信号,即若反射信号的周期为T,则采样信号的周期应为T+OT。因此,若假设第1个采样信号与第1个反射信号同相位,则第二个采样信号比第二个反射信号延迟△T,第3个采样信号比第3个反射信号延迟24T,以此类推,第n个采样信号将比第n个发射信号延迟n4T,直至测量周期结束,随着两信号相位差的逐渐扩大,完成对反射信号的扫描,实现反射信号的等效扩展。

  为了得到这个延迟采样信号的步进,产生锯齿波信号的缓慢上升,负尖峰脉冲信号与频率和相位叠加是同一个发射信号,然后通过NAND门合成信号,当振幅低于阈值电压,门与NAND门的输出端,从低电平变为高电平,可以得到一个阶跃延迟信号,原理如图5所示。当步长延迟信号被调制时,可以获得采样信号。

4、同轴电缆与同轴导波杆的选型:

  在文中,导波雷达液位计的设计,包括同轴电缆的机械部分和同轴导波探头,用作液位传感器使用。同轴电缆用于连接导波电路和同轴波雷达液位计波导杆,通过调节同轴电缆的长度,可以安装在液位计上远离水箱,方便工作人员液位监测;同轴导杆安装在波浪顶部的液体槽中,插入待测液体中,末端到槽底,用于测量液面高度。

  因为导波雷达液位计的发射信号功率比较小,所以为了保证发射信号与反射信号的衰减最小,选取了特性阻抗为75Ω的同轴电缆,并将同轴导波杆的外壳内径D与内导体外径d之比设计为3.6。如图6所示为同轴电缆的结构示意图。

图6 同轴电缆的结构示意图Fig.6 Coaxial cable schematic

图6 同轴电缆的结构示意图Fig.6 Coaxial cable schematic   

  同轴电缆内导体的中心,外绝缘层被一定厚度包围,在金属屏蔽层外,材料和形状为铜或铝网膜,外层为塑料护套,用于保护同轴电缆。如图7所示为同轴导波杆的结构示意图。

图7 同轴导波杆的结构示意图Fig.7 Coaxial waveguide structure

图7 同轴导波杆的结构示意图Fig.7 Coaxial waveguide structure   

 

同轴波导由316L奥氏体钢制成,具有耐高温和耐腐蚀特性,可在恶劣的环境下工作。空气用作同轴波导杆的内导体和外导体之间的绝缘介质。当液体插入待测量的液体中时,液体将侵入导杆的内导体和外导体。发射脉冲在同轴导线内部和外导体杆之间以电磁波的传播形式进行,当遇到空气和液体界面时,同轴导波杆的特征阻抗发生变化,导致反射信号。

4.1、导波雷达液位计的测试环境:

  为了对导波雷达液位计的实际工作特性进行测试,搭建了一套液位测试试验平台来模拟测试现场的实际情况。该实验平台由长度为1.2m、直径为120mm的玻璃管、标尺、注水管、放水管组成,其示意图如图8所示。

  因为玻璃管是透明的,可以在实验过程中实时观察液面的位置,这可以反映导波雷达液位计的精度和灵敏度。在测量过程中,将玻璃管中充满水,然后打开排水管,调整排水速度,然后测量液位计的电流值,液位读数和导波雷达液位计显示比较。

图8 液位测试试验平台Fig.8 Hydraulic test platform

图8 液位测试试验平台Fig.8 Hydraulic test platform   

  由于测量条件有限,在测量过程中,选取液位计量程为1m以下,调整其液位显示方式为XXX.Xmm。

4.2、导波雷达液位计的试验结论:

  导波雷达液位计的实验分为两部分,即波形测试和数据测试。通过波形测试,证明导波雷达液位计反射波形与发生时间的极性和理论结果相同,说明使用的测量原理是可行可靠的。为了证明测量的准确性,对导波雷达液位计进行了大量的数据实验。在本文中,列出了两组实验的结果。通过对数据测试结果的分析,得出以下结论:

1)导波雷达液位计的绝对误差范围在3 mm以内。

2)导波雷达液位计的测量重复性小于3mm。

3)导波雷达液位计的线性度很好。

由于测试条件有限,本文只讨论当测量范围低于lm时的测量结果。本文设计的导波雷达液位计的理论射程可达到3M,测量范围在LM以上,未来将进一步研究和测试。

5、结束语:

  液位测量在石油和化工行业中起着不可或缺的作用。罐中液体的液位可以通过液位计实时测量,并且可以实时掌握当前液位值。雷达液位计不受介质的粘度,密度和蒸汽的影响,具有高精度。因此,被广泛应用于工业领域。