导波式微波物位计的原理及应用.doc

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1、导波式微波物位计的原理及应用一、概述：利用微波来测量物位，是回波测距法或渡越时间法（TimeofFlight,简称TOF）中的一种。是近年来发展最快的物位测量技术。是利用被测物料面对所发射微波的反射来测量物料面位置，类似于雷达（Radar），故俗称雷达物位计。2007年微波物位计在全球的销售额约为3.88亿美元，年增长10.3%，是连续物位计中增长最快的，已进入产品的生命成熟期。近年推出的产品采用的微波频率更高（K波段，24~26GHz）无线尺寸更小（喇叭天线直径可小至Φ40）。测量精确度也更高（一般可达到0.1%F*S）并且已有电池供电，无线通讯的微波物位计推出。微波物位计

2、在结构上可以分为两大类：1．天线式（或称自由空间雷达FreeSpaceRadar）2．导波式（或称导波雷达GuidedWaveRadar）早期天线式微波物位计发展较快，因为它是用天线向被测物料面发射微波，接收回波并计算距离来换算物位高度。微波在物料面上部的自由空间传播，被测物料和仪表部件是非接触的，安装使用均方便。而且微波受传播介质特性及环境的影响较超声波小的多，故发展很快。但在使用中发现在以下场合，天线式微波物位计并不能很好的工作：1．被测物料介电常数较低（εr＜2)2．在较狭小的空间内测量3．在有很陡的安息角的固态物位测量4．高温，高压等工况导波式微波物位计是将时域反射测

3、量技术（TimeDomainReflectometry简称TDR），等效时间取样技术（EuivalentTimeSampling简称ETS）和微功耗电路的结合而产生的一种新型测量仪表，由于用于物位测量的TDR也采用C波段的6GHz微波频率，故也归类于微波物位计的一类，只是微波是通过波导传播。它虽然丧失了非接触测量的优点，但能应用于上述困难工况，并且价格比传统的微波物位计低得多，故近几年得到较大发展。二、TDR测量原理及技术要点：时域反射原理技术（TDR）在电力、电讯等行业中应用已有多年，用来找出电缆或电线的断裂点或短路点。沿电缆（线）发射一个电磁波脉冲，它在金属导体外侧往前传

4、播，在遇到金属导体断裂、短路时，电磁波会返回。由于电磁波是以光速传播，故根据接受到回波的传播时间，可以准确确定断裂点位置，以便维修。TDR技术应用于物位测量时，要用金属波导体来作为电磁波的传播导体，其原理如图（1）所示，一根金属波导体自容器顶部伸入，直达底部，覆盖整个物位量程。被测物料（液体或散状固体）埋住部分波导体，通常采用脉冲式工作方式，采用C波段的6GHz左右微波频率，从顶部定期发射微波脉冲沿波导体外侧向下传播，当传播到介电常数的突变点（物料面）时，根据空气（εr=1）与被测物料面介电常数（εr>1）的差别,部分微波能量进入被测物料继续传播,部分微波能量反射,并沿原路径

5、返回.反射量的大小取决于两者介电常数的差别,相差越大,反射角越大,由于微波是沿波导外侧一个小区域中传播,能量不扩散,干扰回波少,故即使被测物料介电常数较低,微波反射能量较少,也能接受到信/噪声比好的回波,可靠测量到物位。早期的天线式微波物位计大多采用（频域测量）用调频连续波（FMCW）方式，测量的是发射波与反射波的频率差，导波式是采用脉冲方式，测量的是发射波与反射波的时间差（时域测量）。随着技术发展，现在天线式微波物位计大多数采用脉冲波方式，测量时间差。生甚至连频率也相同，两者已无多大差别。但由于历史习惯，凡国外文献中提到TDR原理或技术，往往是来指导波式微波物位计。导波式微

6、波物位还能同时测量分层液位的液-液分界面位置，如油-水界面。条件是下层液体的介电常数要比上层液体介电常数大5倍或更多，或上曾是绝缘介质，下层是导电介质。微波脉冲在第一层液面上反射部分能量后，进入第一层液体的微波在传播到第二层液体分界面时，大部分反者回去并穿过第一层液体液面，传播回发射器。这样，当发射一个微波脉冲后，会先后收到两个反射回波。根据这两个回波的不同时间差，可以计算出两层液体的液面位置。三、等效时间取样（ETS）技术TDR用于电缆断点定位时，由于断点距离往往是几公里或更远，定位精度也不需要很高，而用于物位测量时，距离要小得多最多是数十米，而微波以光速传播，故时间差是很

7、小的，如以量程20m的储罐为例，微波脉冲往返一次的时间约为133ns，实实际那测量这么小的时间差并且达到足够精度（0.1%F*S）是困难的。在应用TDR到物位测量中，等效时间取样或ETS技术是关键，它能处理高速，低功耗的电磁脉冲群。当采用连续发射脉冲群时，每个发射脉冲都可以得到一个回波。故脉冲波形是多次重复的。ETS技术实时捕捉这些微波脉冲，并以扫描取样方式在每个周期中取一小段，并且顺时延后取样时间，每次扫描采集多达几万个取样点，将这些取样点重新组合成一个波形，其形状和单个波形是一样的，但周期扩大了，例