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摘要：
本文主要介紹了作為當(dāng)今物位測(cè)量技術(shù)之一的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的應(yīng)用原理、與其他幾種物位測(cè)量技術(shù)的比較，以及西門子公司儀表部所推出的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)LG200系列產(chǎn)品在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用。
在科技日新月異的今天，物位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)從zui初的重錘、投尺等傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)量方式(圖1)發(fā)展為包含雷達(dá)、核輻射等高技術(shù)含量的測(cè)量技術(shù)，覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)中的絕大多數(shù)物位測(cè)量需求，核輻射技術(shù)因?yàn)槠涮厥庑?，?yīng)用范圍有其局限性，在此不作贅述，而原先由軍用雷達(dá)發(fā)展而來(lái)的雷達(dá)物位測(cè)量技術(shù)正日益成為物位測(cè)量的主流趨勢(shì)。
所謂的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)包含兩種：微波雷達(dá)(非接觸式)以及導(dǎo)波雷達(dá)，其中微波雷達(dá)技術(shù)隨著成本的降低和在諸多苛刻工況應(yīng)用中的優(yōu)異測(cè)量效果得到廣大用戶的認(rèn)可，但這并不意味著微波雷達(dá)技術(shù)就是一種的測(cè)量技術(shù)，可以測(cè)量所有的介質(zhì)；相對(duì)而言，全新的導(dǎo)波雷達(dá)技術(shù)(Guide Wave Radar)恰恰彌補(bǔ)了微波雷達(dá)的不足之處。
2. 雷達(dá)技術(shù)比較及導(dǎo)波雷達(dá)的原理
名思義，微波雷達(dá)物位計(jì)指通過(guò)空間發(fā)射、傳播和接收電磁微波的物位測(cè)量?jī)x表(圖2)，導(dǎo)波雷達(dá)則是通過(guò)某一種形式的波導(dǎo)體來(lái)傳導(dǎo)、發(fā)射和接收電磁微波的、物位測(cè)量?jī)x表。
微波雷達(dá)儀表測(cè)量物位具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、不與介質(zhì)接觸；
2、高頻電磁波信易于長(zhǎng)距離傳送，可測(cè)大量程；
3、不受空間氣相條件變化的影響
微波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射和接收高頻(GHz)級(jí)電磁波，計(jì)算電磁波達(dá)到物位表面并反射回到接收天線的時(shí)間來(lái)進(jìn)行物位測(cè)量，而電磁能量的傳送不易受到傳播空間性質(zhì)的局限性，它可以在高/低壓(真空)或具有汽化介質(zhì)的條件下傳播，并且氣體的波動(dòng)亦不影響電磁波的傳播。
普通微波雷達(dá)物位測(cè)量?jī)x表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信，當(dāng)這種信在空氣中傳播時(shí)，能量衰減較快，當(dāng)微波信到達(dá)物位表面并反射時(shí)，信強(qiáng)度也就是振幅，與介質(zhì)的介電常數(shù)有直接關(guān)系，介電常數(shù)非常低的非導(dǎo)電類介質(zhì)，如烴類液體，反射回來(lái)的信非常弱，這種被削弱的信在返回至安裝于罐頂部的接收天線的途中，能量又進(jìn)一步衰減，微波雷達(dá)物位計(jì)接收到的返回信能量大致只有發(fā)出信能量的1% !當(dāng)用于上述條件介質(zhì)，接觸式微波雷達(dá)物位儀表的性能指標(biāo)會(huì)有所降低甚至無(wú)法正常使用。
為了彌補(bǔ)接觸式雷達(dá)物位計(jì)的這些不足之處，導(dǎo)波雷達(dá)物位儀表應(yīng)運(yùn)而生，導(dǎo)波雷達(dá)的工作原理與前述雷達(dá)非常相似，GWR的基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS 等時(shí)采樣原理。多年來(lái)TDR一直被用于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內(nèi)埋設(shè)電纜的斷頭。
測(cè)電纜斷頭時(shí)，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信沿電纜傳播，到達(dá)斷頭處就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量反射脈沖(圖3)；同時(shí)，在接收器中預(yù)先設(shè)定的與電纜總長(zhǎng)度相應(yīng)的阻抗變化也引發(fā)出一個(gè)基準(zhǔn)脈沖，將反射脈沖與基準(zhǔn)脈沖相比較，可定位斷頭的位置。將該原理用于物位測(cè)量時(shí)，TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)個(gè)能量脈沖沿波導(dǎo)體傳導(dǎo)，當(dāng)?shù)竭_(dá)介質(zhì)表面時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)物位反射原始脈沖；與此同時(shí)在探頭的頂部預(yù)設(shè)一個(gè)定值阻抗，用以產(chǎn)生一個(gè)可靠的基準(zhǔn)脈沖，該脈沖又稱為基線反射脈沖。雷達(dá)物位計(jì)檢查到物位反射原始脈沖，并與基線反射脈沖相比較，從而得到物位測(cè)量的數(shù)值，這就是導(dǎo)波雷達(dá)物位儀表的工作過(guò)程。
ETS等時(shí)采樣原理用于測(cè)量高速、低功率的電磁信，是基于TDR 的液位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。*，高速的電磁信短距離的測(cè)量是很困難的，ETS實(shí)時(shí)捕捉電磁信(UIS)，并且在等值的時(shí)間里重新構(gòu)造它們，以利于更好使用先進(jìn)的技術(shù)測(cè)量。
物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展到今日，已出現(xiàn)許多種成熟可靠的物位測(cè)量?jī)x表，以其不同的性能和特定的適用范圍在不同條件的液位測(cè)量中發(fā)揮著重要的作用：壓力/壓差測(cè)量液位法；射頻導(dǎo)納/電容液位計(jì)；超聲波液位計(jì)和浮筒液位計(jì)等都已在工業(yè)上有了數(shù)十年的成功使用經(jīng)驗(yàn)，但導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)以其具有明顯的使用優(yōu)點(diǎn)及性能更加引起大家的關(guān)注：
1) 能耗低。GWR輸出到波導(dǎo)探頭的信能量小，約為非接觸式雷達(dá)發(fā)射能量的10%。這是因?yàn)椴▽?dǎo)體為信至介質(zhì)表面?zhèn)鞑ヌ峁┮粭l快捷的通道，信的衰減保持在zui小程度。
2) 能量強(qiáng)。由于信在波導(dǎo)體中傳輸不受液面波動(dòng)和儲(chǔ)罐中的障礙物等的影響，因而儀表所接收到的返回信能量相應(yīng)較強(qiáng)，約為所發(fā)射能量的20%。
3) 范圍廣?；谏弦惶匦裕瑢?duì)于低介電常數(shù)的介質(zhì)導(dǎo)波雷達(dá)擁有令人滿意的表現(xiàn)，以西門子LG200產(chǎn)品(圖4)為例，其可測(cè)的zui低介電常數(shù)竟為1.4!
4) 介電常數(shù)的變化對(duì)測(cè)量性能無(wú)影響。信自烴類(介電常數(shù)2~3)液體表面或水(介電常數(shù)80)反射的時(shí)間一樣，不同的只是信幅度的差別，微波雷達(dá)需考慮介質(zhì)進(jìn)而經(jīng)過(guò)篩選才可得到準(zhǔn)確測(cè)量值，假定接收信強(qiáng)度改變，信的篩選就會(huì)受到影響；導(dǎo)波雷達(dá)由于能量集中可避開(kāi)諸多干擾則無(wú)此慮。
5) 密度的變化對(duì)測(cè)量無(wú)影響。介質(zhì)密度的變化影響浸沒(méi)于介質(zhì)中物體所受到的浮力，但不影響電磁波在波導(dǎo)體中的傳播。
6) 介質(zhì)在探桿/纜上的掛料對(duì)物位測(cè)量的影響極小。掛料有兩種：膜狀和搭橋，膜狀掛料是在料位下降時(shí)，高黏度介質(zhì)在探頭上形成的一層覆蓋，這種掛料在探桿上分布均勻，因此對(duì)測(cè)量基本無(wú)影響；但搭橋掛料的形成卻能導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差，因此在選用雙桿/纜式導(dǎo)體時(shí)，需要謹(jǐn)慎小心，充分考慮到介質(zhì)的黏度!
3. 西門子導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)介紹及其應(yīng)用
西門子公司作為世界上的自動(dòng)化電氣設(shè)備供應(yīng)廠商，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表領(lǐng)域也位居前列！尤其是在原加拿大妙聲力儀表公司于2000年并入西門子之后，西門子過(guò)程儀表更是在物位測(cè)量領(lǐng)域處于位置！
2007年，西門子公司秉承全集成自動(dòng)化(TIA)的理念,隆重推出了全新的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)SITRANS LG200，它是一種用于液體和固體的中短量程物位，物位/界面和體積測(cè)量的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)。它不受過(guò)程條件改變，高溫和高壓，蒸汽的影響。具有：
1) 多達(dá)16種形式的測(cè)量探桿/纜；
2) 精度為2.5mm；
3) 低至1.4的介電常數(shù)
3) 高達(dá)427°C溫度和431Bar壓力；
4) 手動(dòng)按鍵以及SIMATIC PDM兩種方式設(shè)置參數(shù).
該產(chǎn)品問(wèn)市不久即在眾人矚目的首鋼京唐項(xiàng)目中一舉中標(biāo)！首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司由首鋼總公司聯(lián)合唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司共同發(fā)起，新廠址曹妃甸地處塘沽新港及秦皇島港之間，擁有渤海灣*的天然深水航道。曹妃甸水、電和交通等配套設(shè)施齊全，隨著2007年底首鋼北京地區(qū)鋼產(chǎn)量壓縮為400萬(wàn)噸，曹妃甸新首鋼將建成投產(chǎn)。項(xiàng)目建設(shè)的主要規(guī)模為：原料場(chǎng)、球團(tuán)系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)、焦化系統(tǒng)、煉鐵/鋼系統(tǒng)、冷軋系統(tǒng)、熱軋
系統(tǒng)、供發(fā)電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等配套公輔設(shè)施，建設(shè)規(guī)模為980萬(wàn)t/a。產(chǎn)品目標(biāo)是熱軋、冷軋、鍍鋅、冷軋硅鋼等板材產(chǎn)品，其中以高強(qiáng)度、超深沖的汽車板、高強(qiáng)度管線鋼和結(jié)構(gòu)鋼為產(chǎn)品標(biāo)志，主要滿足汽車、機(jī)電、家電、建筑及結(jié)構(gòu)、機(jī)械等行業(yè)對(duì)高質(zhì)量板材品種的需求。
在首鋼京唐的項(xiàng)目中，西門子公司的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)SITRANS LG200主要用于現(xiàn)場(chǎng)的水封槽、冷凝槽的液位測(cè)量(圖6)，在安裝施工階段，他們還派出了專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，這款產(chǎn)品簡(jiǎn)便的參數(shù)設(shè)置易于操作，便捷的安裝方式得到了我們項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用人員的認(rèn)可，自今年4月份安裝至今西門子公司的產(chǎn)品LG200表現(xiàn)穩(wěn)定可靠！
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