雷达液位计与超声波液位计的共性与区别

雷达液位计与超声波液位计的共性与区别

及琳

中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司 辽宁省锦州市 121001

摘要：雷达液位计及超声波液位计在锦州石化公司各装置都有应用，本文从雷达液位计和超声波液位工作原理方面找出这两种液位计的共同之处与区别。

关键词：雷达液位计 超声波液位计 对比

1. 雷达液位计

1.1.雷达液位计的原理

雷达是将电磁能量以定向方式发射至空间中，藉由接受空间内存在的物体所反射的电波。可计算出物体的位置数据。雷达液位计是利用超高频电磁波经天线向被探测容器的液面发射,当电磁波碰到液面后反射回来,仪表检测出发射波及回波的时差,从而计算出液面的高度。被测介质导电性越好或介电常数越大,回波信号的反射效果越好。雷达液位计主要由发射和接收装置、 信号处理器、 天线、 操作面板、 显示等几部分组成。发射 - 反射 - 接收是雷达液位计工作的基本原理。雷达液位计的运行时间与液位距离的关系为：

T = 2 D/ C(光)

式中 c 为电磁波传播速度, c = 300000km/ s ; d 为被测介质液位和探头之间的距离; t 为探头从发射电磁波至接收到反射电磁波的时间。

图一 雷达液位计示意图

1.2雷达液位计的特点

各厂商生产的雷达式液位计工作频率不同 ,一般在 5. 8～10. 3GHz 之间。波源的发射功率均很低 ,如 E + H公司的产品发射功率为 0. 25mW ,能量密度为 0. 00015W/ cm2,而移动电话的发射功率为2W ,能量密度为 0. 001W/ cm2;微波炉内的能量密度为 1W/ cm2,炉门口的泄漏量为 0. 005W/ cm2。可见雷达式液位计是很安全的 ,可安装于各种金属、 非金属容口在或贮槽内 ,对人体及环境均无伤害。从原理上来看 ,微波测量与温度、 压力及灰尘无关 ,因此可适用于高温条件下的测量 ,但此时为了保证系统工作的安全可靠 ,应采取特殊的法兰对天线部分进行空气冷却。微波传输不需要空气介质 ,所以在真空或受压条件下也能进行测量,微波在物料表面被反射时 ,信号强度会衰减 ,而当介电常数过小时(水81.5苯2.283真空1液氯1.9低于1.7很难测量) ,则信号会衰减过大 ,导致无法测量。因此要求被测物料的介电常数不得低于一定的值（1.7）,其具体大小取决于量程大小 ,被测介质的介电常数越低 ,则测量范围就越小。而对导电物料进行测量时 ,测量过程与相应的介电常数无关。在选型时 ,应充分考虑被测物料的具体情况。根据工艺介质的公称压力、 公称直径和温度选择对应的连接法兰 ；根据量程、 介质的介电常数、 摇晃程度、 涡旋及泡沫等 ,决定天线尺寸 ；量程越大、 介电常数越低 ,则天线尺寸应该越大。如测量场合为强腐蚀性 ,应选用表面涂覆防腐蚀的材料的杆式天线测量系统。如测量场合为高温(超过 2000C) 、 高压时 ,应选用带天线延伸管的高温型和高压型。若介质易冷凝则可选用带屏蔽管的杆式天线系统。

1.3雷达液位计的基本分类：

1.3.1接触式雷达：接触式雷达，就是带有杆状天线或导缆的，通常叫做导波雷达，在原理上属于脉冲雷达。

图二 导波雷达的典型回波及抑制曲线

1.3.2非接触式雷达：非接触式雷达，通常是带有喇叭口天线的雷达，分为脉冲雷达和连续波雷达。

图三 喇叭口雷达的典型回波及抑制曲线

2. 超声波液位计

2.1超声波液位计的原理

超声波液位计通过发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到被测界面时被反射回来，又被换能器所接收并转换为电信号，电子检测部分检测到这一信号后将其变成信号进行显示并输出。波的传播时间与换能器到被测介质表面的距离成正比。声波传输距离L与声速C和传输时间T的关系可用公式：

L=C（声）×T/2

表示。测量原理如下图：

图四 超声波测量原理图

由超声波在介质中传播原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇到液面反射被接收所需要的时间，则可换算出超声波通过的路程，即得到了液位的数据。

固定式外测超声波液位计，安装在罐底，发射的超声波穿过罐底后在液体中传播，到达液体与气体的界面后，被反射回探测器。安装优势，无需开孔。

2.2超声波液位计的特点：

我们一般把声波频率超过20kHz的声波称为超声波，超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。在超声波检测技术中，不管那种超声波仪器，都必须把电能转换超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波换能器，也称探头。

2.3超声波液位计的基本分类：

普通超声波液位计，一般垂直安装于所测介质上方，应用超声反射原理测液位的非接触式的液位仪表。普通超声波液位计的安装方式基本与喇叭口雷达液位计相同，且外形及其相似。

外贴式超声波液位计：外贴式超声波液位计采用了传感器外贴、与被测液体非接触的测量方式，罐体不开孔、安装可不停产。一般贴附安装在所测介质罐底

。

图五 典型超声波回波及抑制曲线

3. 雷达液位计与超声波液位计的对比

雷达液位计的的原理公式：T = 2 D/ C(光)

超声波液位计的原理公式：L=C（声）×T/2

现在把雷达液位计的公式略作变形为：D= C(光) ×T/2

3.1共性：由以上的公式对比可看出，这两种液位计所测量距离都与所发射波的速度与时间的乘积成正比。从回波及抑制曲线图中可看出，在实际应用中，这两种液位计在使用前设定的参数均有罐体形状、介质特性、 工艺条件、 空罐标定、满罐标定，这五种基本参数设定，并且都可用设置抑制曲线的方法来屏蔽一些固定的干扰。

3.2区别：

3.2.1雷达波回波是鉴于被测物质的介电常数的，所以介电常数很低的物质雷达的测量效果就要打折扣。雷达发射的是电磁波，不需要传播媒介，传播速率固定。

3.2.2超声波回波是鉴于被测物质的密度的，超声波是声波，是一种机械波，是需要传播媒介的，且受各种环境条件影响较大（压力，温度等）。另外波的发射方式元件不同，如超声波是通过压电物质的振动来发射的，所以内置式超声波不可能用在压力较高或负压的场合，一般只用在常压容器。

3.3.3雷达的精度比超声波高，在储罐上普遍用高精度雷达，而不用超声波。

参考文献：

[1]张倍. 雷达液位计原理及应用. 科技视界，2013,（7）:155-156

[2]刘冰，雷达液位计的测量原理与应用.化工机械，2012, 40(21)，125-127

[3] 上官明禹，超声波液位计的原理与应用. 机电信息. 2010, (9)，12-14,21

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