物位计测量技术分析及应用研究

　　电磁波的波段非常宽，从3kHz～3000GHz ，微波是指频率为300MHz～300CHz的电磁波。在物位检测中，微波使用的频段规定在4～30GHz：之间，典型波段为5.8GHz、10GHz 、24GHz。5.8 GHz 的频率属于C波段微波;10GHz的频率属于X波段微波;24GHz的频率属于K波段微波。

　　声波是机械波，频率范围为20Hz～20kHz ，因此，当声波的振动频率高于20kHz或低于20kHz时，我们便听不见了。我们把频率高于20kHz 的声波称为“超声波”。

　　电磁波与声波产生的原理是不同的，声波是靠物质的振动产生的，在真空中不能传播;而电磁波是靠电子的振荡产生的，其本身就是一种物质，传播不需要介质，能在真空中传播。这两种波在通过不同的介质时都会发生折射、反射、绕射和散射及吸收等现象，物位计正是应用这种特性来测量距离的。

　　超声波物位计由声纳技术衍化而来，其安装方式有顶部安装和底部安装两种。早期的超声物位计采用的也是液体导声，超声探头安装在料罐底部外，超声波从底部传入，经被测液体传播到液面，反射后传回探头。超声波传播时间与液位的高低成正比。由于超声波在各种被测介质中传播的声速不同，所以很难做成通用产品;且料罐底部(尤其是液体料罐的底部)安装探头的方法在实用中往往也有困难。因此，在实际工业过程中，利用空气作为导声介质的顶部安装应用越来越广泛。

　　超声波物位计的声波信号是在不同声阻率(声阻率等于物料密度px声速。)的界面上反射的。由于空气和物料的密度差别很大，所以它们的声阻率相差也很大，声波在空气和物料的分界面上就像在镜面上一样反射，并由接收器接收回波信号。但是，由于超声波是机械波，在空气中传播的波长小于17mm ，传播速度受温度影响较大，如当温度为0℃ 时，声速为331.6m/s当温度为20 ℃ 时，声速为 344m/s 。因此，必须进行温度补偿，且在测量挥发性液体时，由于空气中含有的挥发组分不同，声速也不同，也会产生较大的误差。

　　与超声波物位计相比，雷达物位计的微波信号是在不同介电常数的分界面上反射的。介电常数是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为F/m ，它通常随温度和介质中传播的电磁波的频率变化而变化。介电常数越大，对电荷的束缚能力越强;介电常数越小，则绝缘性愈好。某种电介质的介电常数与真空介电常数之比εr称为该电介质的相对介电常数。常见物料的相对介电常数如表1所示。

　　微波以光速传播，速度几乎不受介质特性的影响，传播衰减也很小，约0.2dB/km 。回波信号强弱很大程度上取决于被测液面上的反射情况。在被测液面上的反射率除了取决于被测物料的面积和形状外，主要取决于物料的相对介电常数εr。相对介电常数高，反射率也高，得到的回波强度高;相对介电常数低，物料会吸收部分微波能量，回波强度较低。对于普及型的雷达液位计，通常要求被测物料相对介电常数εr 〉4; 对于更低介电常数的物料，要求增设波导管来增强回波信号，或选用较复杂的雷达，通常测量下限为εr> 2。对于测量介电常数高或导电的物料时，有效量程要下降很多，如20m量程的雷达物位计，若用于测量煤粉，有效量程最多为7m对于测量介电常数低的塑料粒子等，测量效果也不好。

　　3.2 脉冲与调频连续波雷达物位计

　　微波物位计按使用微波的波形可分为脉冲波和调频连续波两大类。

3.2.1 脉冲雷达物位计