物位传感器及物位开关的发展及应用

在流程工业中，温度、压力、流量之外，物位是不可或缺的，所以物位号称热工四大参数之一，只是石油化工等行业中粉粒状固体物料较少，液体在管道、生产设备（塔、釜、罐）及贮存容器中较多，液位参数较多，料位参数较少。另外还有不同液体由于密度不同而形成界面，所以界面的测量也属于物位的一种，所以说物位传感器涵盖液位、料位、界面传感器。又由于不少监视物位的上限、下限，需要报警或只需活的开关量输出，去进行控制，即不用连续检测液位具体数值，所以又形成物位开关产品。

除去控制、监视外，正确测量贮罐等容器中物质的体积或重量，或经过测得物位而换算出体积或重量，是很有经济价值的，所以对计量精度要求很高。

液位测量中，液面一般表面很规则，但是有出现沸腾、起泡的工艺现象，大型容器中液体各处温度、密度或黏度不均匀现象，高温、高压、黏度大、有杂质悬浮物等现象。

固体物料其物理、化学性质复杂，粉状、颗粒状不同，料位不均匀，温度、湿度也造成了料位不均匀，料仓形状不规则、料仓振动、自然堆料时料面有堆积倾斜，进出料造成料位不同，造成测量误差。

容器中管道、搅拌和加热等设备也会对物位检测带来影响，特别是像雷达、超声物位传感器这些依赖回波信号的测量方法，受这方面的影响更大。

所以，物位测量与工艺和用途等因素关系密切，从而造成物位测量传感器种类很多、选型很复杂。下文将结合发展概况介绍一般物位传感器和重点介绍雷达传感器。

物位传感器的种类

从测量原理上分，有如下几种物位传感器：

直读式：这种方法历史最长，但仍然得到较多应用，目前有玻璃管式、玻璃板式，一般用于液位测量，前者工作最大压力为1.6MPa，后者工作最大压力为15 MPa。

另外还有差压式，浮力式，电磁式，声学式，射线式，雷达式等。

各种原理的物位传感器都有一定的适用范围，满足了市场多种需求，从国外知名物位仪表公司均生产多品种的产品的情况来看，向综合性方向发展是总的趋势。机械为主的物位传感器虽然技术上很成熟，还在发展；电子型的物位传感器近年来才发展成熟，但发展的劲头还很强劲，应用的面也在扩大；接触式的物位传感器与非接触式传感器都有各自的市场，但非接触式物位传感器如雷达物位计，技术先进，成本在下降，应用场所增加快，所以应引起重视。

雷达（微波）物位计：

上世纪90年代以来，雷达物位计得到了普及，近年来多国仪表展览会上国内外企业的展品在增多，国产雷达物位计应用在增加，石化、冶金等行业大有将雷达物位计作为重要场合首选物位仪表的趋势。

经过近十多年的发展，目前雷达物位计有三种类型，大多数经济型的脉冲雷达物位计、高精度的调频连续波雷达物位计（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）、功能更强的导波雷达物位计（Guided Wave Radar，GWR），下面分别介绍三者简单原理和其差别。

脉冲雷达物位计：

它采用高频、窄脉冲对微波源信号进行调制，以波束的形成发射固定频率的脉冲波，在介质表面反射后由接收器接收，脉冲的时间行程决定了由发射天线至介质表面的距离。如物位为H，雷达传感器置于罐的顶部，到容器底部的距离为h，电磁波传播速度为c，雷达波从发出到接收的时间为t，则H=h-1/2ct，式中H、h单位为m，c为光速，单位m/s，t单位为s。

它除测量液位、料位外，也能测量界面，只要上层介质的介电常数低于下层介质。

调频连续波雷达物位计：

同样雷达传感器置于罐的顶部，探头同时进行雷达波的发射和接收，由于回波信号频率的滞后，使得发射频率与发射信号（注：发射信号是频率波线性调制的连续波）频率之间有频差，而该频差Δf与雷达物位计测量的距离H呈正比关系，因此，通过对锯齿波的频差检测即可得到物位信号。其信号处理采用快速傅立叶变换（FFT）方法。与脉冲雷达物位计相比，可以消除距离忙去，在高精度近距离测量中得到广泛应用。

导波雷达物位计：

其工作原理与常规通过空间传播电磁波的雷达相似，它基于时域反射（Time Domain Refectory, TDR）原理。实际微波脉冲不是在空间传播，而是通过一根（或两根）从罐顶伸入，直达罐底的导波体传播。导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。TDR发生器每秒中产生约20万个能量脉冲，当这些脉冲遇到波导体与液体表面的接触处时，由于波导体在气体中和在液体中的导电性能大不相同，这种波导体导电性的改变使波导体的阻抗发生骤变，从而产生了一个液位反射原始脉冲，同时在波导体的顶部具有一个预先设定的阻抗，该阻抗产生一个可靠的基本脉冲，该脉冲又称为基线反射脉冲。雷达液位计检测到液位反射原始脉冲，并与基线反射脉冲相比较，从而计算出介质的液位高度。当然导波雷达物位计也可以测量油/水界面等，只要界面下的液体介电常数高于界面上液体的介电常数即可。该种原理弥补了脉冲雷达物位计反射信号能量被削弱、液面出现波动和泡沫时返回到接受天线的信号更弱、储罐中有搅拌器、管道等障碍物而产生虚假液位信号等缺陷。

2011年多国仪表展览会上外资、合资公司有10家参展商全部提供微波物位计展品，他们是西门子、天津天威、上海科普乐、科隆、上海达宏松岛（该公司调频连续波雷达物位计，用于钢铁高炉料位测量、鱼雷车铁水液面测量等恶劣工况）、重庆霍克川仪、声美测控（大连）、伊玛精密电子（苏州）、英国爱肯卓Hycontrol、尼威NIVELCO，国内企业15家参展商，其中有11家展出了微波（雷达）物位计，对于物位计来说，真是盛况空前，雷达（微波）物位计将引来新的高潮。

物位开关：

物位开关应用广泛，加之近年离散控制热起来了，所以针对能用简单的物位开关就能解决的问题，就不必用物位计了。但对物位开关在可靠性方面的要求并不比一般物位计低，这一点是应该受到重视的。又按照工艺及环境等条件选用物位开关，还是很有学问的。目前应用较广的有浮球型液位开关、音叉式物位开关、电容式物位开关；应用正在增加的有射频导纳式物位开关、超声式物位开关。此外还有光电式液位开关、阻旋式料位开关等。

结束语：

我国跨出了大兴研制雷达（微波）物位计之风，这是好事，但工艺和环境等多样性需求，决定了物位计和物位开关的产品向综合性发展的趋势，尚需牢记，这就更需要踏踏实实的做好多种物位计/物位开关等产品，造就出一个传感器制造大国和制造强国来。

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