物位計(jì)測(cè)量技術(shù)難點(diǎn)剖析

　　摘要：調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是一種通過(guò)對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來(lái)獲得距離與速度信息的雷達(dá)體制系統(tǒng)，由于它具有無(wú)距離盲區(qū)、高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注。本文針對(duì)上述觀點(diǎn)，介紹了物位計(jì)測(cè)量技術(shù)的一些難點(diǎn)，進(jìn)行了深度剖析，供參考。
　　
　　引言
　　
　　調(diào)頻連續(xù)波（frequencymodulatedcontin-uouswave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)是一種通過(guò)對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來(lái)獲得距離與速度信息的雷達(dá)體制系統(tǒng)，由于它具有無(wú)距離盲區(qū)、高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注。
　　
　　一、物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展
　　
　　物位測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)上從機(jī)械式儀表向電子式儀表發(fā)展，以及工作方式上由接觸式向非接觸式發(fā)展的階段。　　　　
　　圖1中，前4種測(cè)量技術(shù)都屬于接觸式測(cè)量方法，第5種輻射法為非接觸測(cè)量方法。其中，直視法是指眼睛可以直接觀測(cè)到介質(zhì)容量變化的一類方法；測(cè)力法是指通過(guò)被測(cè)介質(zhì)對(duì)指示器或傳感器等目標(biāo)施加外力來(lái)測(cè)量的方法；壓力法是由被測(cè)介質(zhì)施加在測(cè)量探頭而產(chǎn)生壓力進(jìn)行測(cè)量的方法；電特性法是利用被測(cè)介質(zhì)的電特性進(jìn)行測(cè)量的方法；輻射法采用電磁頻譜原理技術(shù)。
　　
　　前4種方法需要測(cè)量?jī)x器的全部或一部分部件與被測(cè)介質(zhì)（固體或液體物料）相接觸才能達(dá)到測(cè)量的目的。從長(zhǎng)期來(lái)看，物料粘附物及沉積物會(huì)對(duì)這些機(jī)械部件產(chǎn)生附著，當(dāng)物料為腐蝕性或易產(chǎn)生水銹的介質(zhì)時(shí)，對(duì)儀器精度的影響將更加嚴(yán)重。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)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(yīng)用范圍更大、精度更高的技術(shù)出現(xiàn)。
　　
　　二、TOF測(cè)量原理
　　
　　近幾年來(lái)，發(fā)展較快的是行程時(shí)間或傳播時(shí)間ToF（timeofflight）測(cè)量原理，又稱回波測(cè)距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時(shí)間來(lái)進(jìn)行度量的一種方法。能量波在信號(hào)源與被測(cè)對(duì)象之間傳遞，能量波到達(dá)被測(cè)對(duì)象后被反射并返回到探頭上被接收，屬于非接觸測(cè)距。
　　
　　ToF測(cè)量技術(shù)可以利用的能量波有機(jī)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(yīng)的物位計(jì)稱為超聲波物位計(jì)、微波物位計(jì)和激光物位計(jì)。
　　
　　天線發(fā)射器向距離為R被測(cè)量物料發(fā)射能量波，經(jīng)被測(cè)量介質(zhì)反射，由天線的接收器接收。能量波來(lái)回所經(jīng)過(guò)的時(shí)間用td表示，可得到距離R與時(shí)間td的關(guān)系為：td=2R/c（l）式中：c為空氣中能量波的傳播速度，當(dāng)以聲波為能量源時(shí)，c=340m/s;當(dāng)以電磁波為能量源時(shí)，c=3×l08m/s.非接觸測(cè)量方法正是利用式（l）中距離R與時(shí)間td的關(guān)系，以不同的方式通過(guò)時(shí)間差td求得距離R的。
　　
　　三、雷達(dá)物位計(jì)分類
　　
　　盡管輻射法物位計(jì)都是采用ToF測(cè)量原理，但所采用的能量波不同時(shí)，信號(hào)的反射機(jī)理及在信號(hào)處理等方面都有很大的不同。以現(xiàn)在常用的超聲波和微波物位計(jì)為例，它們都采用ToF測(cè)量原理，都需要一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)回波信號(hào)接收器，但兩種能量波在頻率范圍、反射方法以及對(duì)于包含距離信號(hào)的反射波的處理上都有比較大的差別。
　　
　　3.1超聲波物位計(jì)與微波物位計(jì)
　　
　　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(cè)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.5.8GHz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(jī)械波，頻率范圍為20Hz~20kHz，因此，當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率高于20kHz或低于20kHz時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)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(dòng)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(guò)不同的介質(zhì)時(shí)都會(huì)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(lái)測(cè)量距離的。
　　
　　超聲波物位計(jì)由聲納技術(shù)衍化而來(lái)，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(cè)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(cè)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(guò)程中，利用空氣作為導(dǎo)聲介質(zhì)的頂部安裝應(yīng)用越來(lái)越廣泛。