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什么是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)|導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)工作原理

  導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在檢測(cè)液位時(shí)采用的是時(shí)域反射（TDR）原理，信號(hào)的傳輸介質(zhì)是同軸電纜和導(dǎo)波桿，可以認(rèn)為導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位檢測(cè)是基于傳輸線的特性的。以下簡(jiǎn)要介紹 TDR 的原理。

  同軸電纜和導(dǎo)波桿是比較常用的信號(hào)傳輸線，我們可以把它等效為理想的雙導(dǎo)線傳輸線，由相同的很多小的部分組成，每個(gè)小的部分又由很多的電阻 R、電容C、電感 L 和電導(dǎo) G 等元件一起組成，并且同軸電纜和同軸導(dǎo)波桿的特性阻抗在每處都是一樣的。

  同軸電纜等效傳輸線原理圖如圖 2-1 所示。

圖 2-1 同軸電纜等效傳輸線原理圖

  由上圖知道，如果同軸電纜與其他介質(zhì)相接觸，由于介電常數(shù)（這里用rε 來表示）是不同的，會(huì)使相接觸部分的等效阻抗發(fā)生一定變化。當(dāng)同軸電纜的某一端發(fā)射出脈沖信號(hào)時(shí)，脈沖信號(hào)會(huì)沿電纜進(jìn)行傳輸。如果傳輸中沒有與其他介質(zhì)的接觸時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻抗和電纜的特征阻抗相等，那么脈沖會(huì)被吸收因此沒有回波信號(hào)產(chǎn)生；如果發(fā)生與其他介質(zhì)的接觸時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻抗就會(huì)發(fā)生變化，使之和特征阻抗不相等，就會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)。

  這里定義一個(gè)反射系數(shù)為 ρ ，它是反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的幅度的比值，我們用它來用來表示負(fù)載阻抗和特性阻抗的關(guān)系。

其中：tZ 表示任意一點(diǎn)的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各種情況時(shí)阻抗和反射系數(shù)的不同如下所示：1．當(dāng)同軸電纜傳輸正常時(shí)，那么t cZ =Z 

， ρ =0 ，發(fā)射脈沖會(huì)被吸收，沒有回其中：tZ 表示任意一點(diǎn)的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各種情況時(shí)阻抗和反射系數(shù)的不同如下所示：

1．當(dāng)同軸電纜傳輸正常時(shí)，那么t cZ =Z ， ρ =0 ，發(fā)射脈沖會(huì)被吸收，沒有回

圖 2-2 斷路回波信號(hào)示意圖

3．當(dāng)同軸電纜傳輸短路（即為與其他介質(zhì)接觸時(shí)）時(shí)，那么tZ =0 ， ρ = −1，同樣產(chǎn)生全反射，但是短路回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)具有相反的極性，短路回波示意圖如圖 2-3 所示。

圖 2-3 短路回波信號(hào)示意圖

  當(dāng)脈沖信號(hào)在導(dǎo)波桿上傳輸時(shí)，如果碰上其他介質(zhì)就會(huì)使該點(diǎn)的阻抗變化，從而反射系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)。我們可以進(jìn)一步計(jì)算發(fā)射脈沖和回波脈沖的時(shí)間差就能計(jì)算出發(fā)射電路到該介質(zhì)接觸點(diǎn)的距離。
 

導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)原理：

    導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)就是時(shí)域反射原理來進(jìn)行測(cè)量的，測(cè)量過程我們分為信號(hào)傳播和整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)來作介紹。

    導(dǎo)波雷達(dá)信號(hào)傳播示意圖如圖2-4所示。

    在機(jī)械機(jī)構(gòu)上，儀表的表頭內(nèi)部的收發(fā)電路會(huì)通過同軸射頻接插件和同軸電纜相連。同軸電纜的另一端將會(huì)在法蘭的位置與同軸導(dǎo)波桿連接。導(dǎo)波桿則是直接插入到罐體的介質(zhì)內(nèi)，導(dǎo)波桿的末端與罐底底部則是有一段距離的。

    根據(jù)左圖可以看到，電路板輸出的脈沖信號(hào)會(huì)通過同軸電纜，再在同軸導(dǎo)波桿上進(jìn)行傳播。由2.1節(jié)的介紹，在同軸電纜和導(dǎo)波桿的連接處會(huì)首先發(fā)生斷路，進(jìn)而一部分信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頂部回波信號(hào)，但是仍有一部分信號(hào)還會(huì)繼續(xù)沿導(dǎo)波桿傳播。當(dāng)信號(hào)與被測(cè)液體表面接觸時(shí)，其阻抗特性會(huì)發(fā)生變化，其一部分也會(huì)被反射，會(huì)再產(chǎn)生一個(gè)真正的液位回波信號(hào)。也會(huì)有另外一部分信號(hào)仍然會(huì)繼續(xù)向下傳播，終會(huì)損耗在不斷發(fā)射中。液位計(jì)可以判斷出液位回波和頂部回波之間的時(shí)間差，根據(jù)這個(gè)時(shí)間差，我們用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算就可以得到液位的高度。

    根據(jù)右圖所示，在罐體為空的時(shí)候，沒有液位就不會(huì)發(fā)生液位回波信號(hào)，但是仍然會(huì)有頂部回波信號(hào)，而且在導(dǎo)波桿的底部會(huì)斷路而產(chǎn)生一個(gè)的底部回波信號(hào)‘。

    假如罐體內(nèi)有兩種不同的介質(zhì)，由于密度不同這兩種介質(zhì)會(huì)分別存在于液體的上部和下部。如果這兩種介質(zhì)的介電常數(shù)大不相同，那么就可以通過回波的不同來判斷兩種介質(zhì)的分界面，進(jìn)而也可以得出這兩種介質(zhì)的不同高度。由于脈沖信號(hào)是通過導(dǎo)波桿傳播，導(dǎo)波桿上的空氣、氣態(tài)的凝結(jié)不會(huì)影響性能，因此可以長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量低介電常數(shù)的產(chǎn)品。一般情況下被測(cè)液體的介電常數(shù)越大回波信號(hào)也就越強(qiáng)，也就更容易檢測(cè)出液位，比如水比丁烷更容易測(cè)量。

    假設(shè)電磁信號(hào)在介質(zhì)中傳輸無損耗，則信號(hào)在其中的傳播速度可以表示為:

其中:c為電磁波在真空中的傳播速度(3x10八立方米m/s）。

    Y為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，

    從為同軸電纜的相對(duì)磁導(dǎo)率(大多數(shù)液體其近似等于l}o

我們可以得到:

若電磁波在同軸導(dǎo)波桿上的傳播距離為L(zhǎng)，那么回波信號(hào)的傳播時(shí)間為:根據(jù)這個(gè)實(shí)際傳播速度結(jié)合時(shí)間就可以計(jì)算出液位[[19]。因此，的深度:

L可以表示為液位因罐體高度為H，后得到的液位高度為:

  h=H一L導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖2-5所示。

    圖中為整個(gè)導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)發(fā)送的是窄脈沖信號(hào)，對(duì)剛性桿大測(cè)量范圍為6.1 m，柔性桿為大范圍則為30m。在實(shí)際測(cè)量中，在量程的上部和下部都會(huì)存在一段死區(qū)，分別為上部死區(qū)和下部死區(qū)，其長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)z和L,，這兩個(gè)死區(qū)的特性是非線性的，所以造成測(cè)量誤差會(huì)偏大。我們把上部死區(qū)的低點(diǎn)定義為上參考點(diǎn)，用它來代表液位的滿點(diǎn)(zui高可測(cè)點(diǎn))和20mA輸出電流。下部死區(qū)的zui高點(diǎn)則定義為下參考點(diǎn)，用它來代表液位的零點(diǎn)(低可測(cè)。

點(diǎn))和4mA輸出電流。在導(dǎo)波桿末端到罐底的距離為L(zhǎng)。

    由此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，液位的計(jì)算需要考慮到上部死區(qū)和下部死區(qū)的因素。在液位顯示時(shí)需要加上桿末端距離罐底的距離L。和下部死區(qū)的高度L1 [21] o

    一般液位測(cè)量時(shí)只需要測(cè)量一定范圍內(nèi)的高度，即有效量程為兩個(gè)死區(qū)之間的高度，也叫線性區(qū)。

    在罐體內(nèi)實(shí)際顯示的液位高度(即以下參考點(diǎn)作為零點(diǎn))為:

                          hD = h一L。一L, 這里L(fēng)+L、是液位的整體遷移量。

    本章主要是對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行了理論分析，首先介紹了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量所需要的時(shí)域反射原理，接著詳細(xì)講述了導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的原理，后則概括了本課題所設(shè)計(jì)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能和特點(diǎn)。