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摘要：雷达液位计是20世纪60年代中期国外开始生产使用的新技术产品。它是一种采用微波测量技术、非接触式的液位测量仪表。在初期，它主要用于海船油槽液位测量。它克服了以前使用机械式接触型液位仪表的诸多缺点，比如清洗的困难和维修的不便等。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。基于此，本文主要对雷达液位计及其构成的液位系统进行分析探讨。
关键词：雷达液位计；液位系统
1、前言
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。
2、工作原理及其特性
雷达液位计是按“俯视式”时间行程测量原理进行工作的，用于测量探头安装处到液位表面的间距。其结构非常简单，主要由仪表外壳、过程连接和短杆天线组成。天线起始处有一将脉冲延迟发射100mm或250mm的屏蔽管，以确保测量不受安装接管处冷凝或粘附的影响。
微波脉冲从天线处向被测介质表面发射，发射波在液面处被反射，反射波被同一天线接收，发射及反射波束中的每一点都采用超声采样方法来采集，发射及反射波束均被采样，经信号处理后得到过程连接处到被测介质表面的距离D，D正比于微波脉冲的时间行程T，即：D=C×T2（C是波束传播速度，为常数）。因过程连接处到测量液位零点的距离E已知由此可算出液位高度L=E－D。
通过本机显示或外部系统接口可手工或半自动地输入表格进行线性化处理，以便测量球罐、柱形罐、卧罐和圆柱锥底罐等容器的物位。
通常，雷达液位计采用工作频率为5.8GHz的微波脉冲信号，测量范围可达20m，并在20m范围内任意设定。其智能化程度较高，输出4～20mA标准模拟信号并叠加HART协议数字通信信号，对于电流输出型，测量液位下限E点和测量液位上限F点分别对应输出4mA和20mA。对于数字输出型，则分别对应物位的0%和100%。通过现场操作显示器可把E、F等若干参数输入雷达液位计，并存储在内部EPROM中，雷达液位计在E与F设定值之间进行测量。
3、测量系统
3.1单点测量系统
雷达液位计采用两线制24VDC供电，可以通过现场操作显示器进行现场组态。或经过接口卡FXA191，将雷达液位计传送出的模拟信号转变为数字信号，传送至上位监控PC机上进行远程组态组态时将液位下限E及液位上限F等参数输入雷达液位计，利用现场操作显示器时以菜单形式显示，可显示复位、零点、满量程、容器映图、锁定、解锁等功能。通过PC机可以观察到测量曲线，看到有哪些干扰，干扰物在何位置及干扰幅度有多大，并可启动干扰自动抑制功能，使测量精度更加可靠。
3.2多路测量系统
多个雷达液位计的模拟输出信号通过FXN672接口模块和ZA转换器，进行数字转换及传送，然后连接到上位监控总线系统，总线可选用MODBUS、PROFIBUS、FIP、INTERBUS等总线。上位监控计算机通过总线按接口模块的不同地址位与各个雷达液位计进行组态与数据传输。
3.3多路数字测量系统（图1）
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图1 多路数字测量系统
以上介绍的雷达液位计为4～20mA信号输出，亦可选择有数字输出接口的雷达液位计，多路数字测量系统如图1所示。将雷达液位计输出连接至PROFIBUS-PA总线（至多32个变送器，在易爆危险场合为10个），经段耦合器连至PROFIBUS-DP总线与PC接口。采用具有数字输出的雷达液位计在数据传输中能保证较高的测量精度，利用段耦合器将测量总线与输出总线进行电气上隔离，增加了系统的安全性与抗干扰性。
4、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。
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。
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1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。
5、结语
液位测量仪表种类繁多，每种测量方式均有其特点和针对性。雷达液位计在液位测量中可以满足一定的测量要求，其工作性能稳定可靠，操作方便安全，抗干扰能力强，可测介质多，可以达到较高的测量精度，所以雷达液位计必然会以其特点和优势在石化行业中得到广泛的应用。
参考文献
[1]上官明禹.超声波液位计的原理及应用[J].机电信息，2010（9）：12-14.
[2]吴君和.基于DSP的超声波液位计研究[D].杭州：浙江大学，2012，3-4.
论文作者:杨侠
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/5
标签：信号论文; 测量论文; 液位计论文; 反射论文; 电路论文; 导波论文; 液位论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;