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技术发展趋势与创新方向
79-81GHz频段开放使角分辨率提升至0.5°，可识别小型障碍物。MIMO技术通过4×4天线阵列实现三维物位成像，实验室精度达±1mm。太赫兹雷达（300GHz）正在研发，适用于纳米粉体测量。AI驱动的自适应滤波算法能自动优化回波处理参数，调试时间缩短90%。数字孪生技术实现虚拟传感器校准，预测剩余寿命准确率＞95%。2025年将普及的5G工业物联网（IIoT）版本，支持毫秒级刷新率与云端协同控制。
导波雷达液位计测量原理及特点
导波雷达液位计测量原理及特点
1. 测量原理。导波雷达液位计是依据反射原理为基础的雷达液位计，电磁脉冲信号以光速沿钢缆传播，当遇到被测介质时，雷达液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出液位高度。
2. 特点。导波雷达液位计的优点是信号稳定，测量不受液体密度和电气特性影响，测量，测量与调校方便，安装成本低且维护方便。
3. 导波雷达液位计的选型及安装要求
选型。导波雷达液位计是靠传感器发射电磁波，因此传感器的选择是导波雷达液位计选型的重要部分。导波雷达液位计的传感器有杆式，揽式和同轴式三种类型。通常选用杆式传感器。当测量范围较大时，由于运输和安装不变，建议采用揽式传感器。
安装。导波雷达液位计的安装需考虑安装要求，容器特性和过程连接等因素。主要安装方式有以下两种:顶装或者侧装。
导波雷达液位计两种安装方式安装时应注意:安装时要导波雷达与关闭需要由适当的距离;避免仪表传感器下方有明显障碍物，阻碍雷达波顺利达到被测介质表面;不要将导波杆安装在进料口附近;传感器与设备底部要有一定距离，不能接触到罐底。
4. 气相补偿技术(GPC)。在高温高压条件下，电磁波信号在介质上方的蒸汽中的传播速度会降低，此时雷达测量的液位值将减小。选用带气相补偿的导波雷达，通过气相补偿功能队测量值进行补偿，可以得到一个准确的实际液位值。
导波雷达液位计在检测液位时采用的是时域反射（TDR）原理，信号的传输介质是同轴电缆和导波杆，可以认为导波雷达液位计进行液位检测是基于传输线的特性的。以下简要介绍 TDR 的原理。
同轴电缆和导波杆是比较常用的信号传输线，我们可以把它等效为理想的双导线传输线，由相同的很多小的部分组成，每个小的部分又由很多的电阻 R、电容C、电感 L 和电导 G 等元件一起组成，并且同轴电缆和同轴导波杆的特性阻抗在每处都是一样的。
同轴电缆等效传输线原理图如图 2-1 所示。
图 2-1 同轴电缆等效传输线原理图
由上图知道，如果同轴电缆与其他介质相接触，由于介电常数（这里用rε 来表示）是不同的，会使相接触部分的等效阻抗发生一定变化。当同轴电缆的某一端发射出脉冲信号时，脉冲信号会沿电缆进行传输。如果传输中没有与其他介质的接触时，那么对应的负载阻抗和电缆的特征阻抗相等，那么脉冲会被吸收因此没有回波信号产生；如果发生与其他介质的接触时，那么对应的负载阻抗就会发生变化，使之和特征阻抗不相等，就会产生回波信号。
这里定义一个反射系数为 ρ ，它是反射信号与发射信号的幅度的比值，我们用它来用来表示负载阻抗和特性阻抗的关系。
其中:tZ 表示任意一点的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各种情况时阻抗和反射系数的不同如下所示:1．当同轴电缆传输正常时，那么t cZ =Z
， ρ =0 ，发射脉冲会被吸收，没有回其中:tZ 表示任意一点的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各种情况时阻抗和反射系数的不同如下所示:
1．当同轴电缆传输正常时，那么t cZ =Z ， ρ =0 ，发射脉冲会被吸收，没有回
图 2-2 断路回波信号示意图
3．当同轴电缆传输短路（即为与其他介质接触时）时，那么tZ =0 ， ρ = −1，同样产生全反射，但是短路回波信号和发射信号具有相反的性，短路回波示意图如图 2-3 所示。
图 2-3 短路回波信号示意图
当脉冲信号在导波杆上传输时，如果碰上其他介质就会使该点的阻抗变化，从而反射系数也会发生变化，会产生回波信号。我们可以进一步计算发射脉冲和回波脉冲的时间差就能计算出发射电路到该介质接触点的距离。
导波雷达测量系统原理:
导波雷达液位计就是时域反射原理来进行测量的，测量过程我们分为信号传播和整个测量系统来作介绍。
导波雷达信号传播示意图如图2-4所示。
在机械机构上，仪表的表头内部的收发电路会通过同轴射频接插件和同轴电缆相连。同轴电缆的另一端将会在法兰的位置与同轴导波杆连接。导波杆则是直接插入到罐体的介质内，导波杆的末端与罐底底部则是有一段距离的。
根据左图可以看到，电路板输出的脉冲信号会通过同轴电缆，再在同轴导波杆上进行传播。由2.1节的介绍，在同轴电缆和导波杆的连接处会首先发生断路，进而一部分信号会产生一个顶部回波信号，但是仍有一部分信号还会继续沿导波杆传播。当信号与被测液体表面接触时，其阻抗特性会发生变化，其一部分也会被反射，会再产生一个真正的液位回波信号。也会有另外一部分信号仍然会继续向下传播，***终会损耗在不断发射中。液位计可以判断出液位回波和顶部回波之间的时间差，根据这个时间差，我们用单片机进行计算就可以得到液位的高度。
根据右图所示，在罐体为空的时候，没有液位就不会发生液位回波信号，但是仍然会有顶部回波信号，而且在导波杆的底部会断路而产生一个的底部回波信号‘。
假如罐体内有两种不同的介质，由于密度不同这两种介质会分别存在于液体的上部和下部。如果这两种介质的介电常数大不相同，那么就可以通过回波的不同来判断两种介质的分界面，进而也可以得出这两种介质的不同高度。由于脉冲信号是通过导波杆传播，导波杆上的空气、气态的凝结不会影响性能，因此可以长时间测量低介电常数的产品。一般情况下被测液体的介电常数越大回波信号也就越强，也就更容易检测出液位，比如水比丁烷更容易测量。
假设电磁信号在介质中传输无损耗，则信号在其中的传播速度可以表示为:
其中:c为电磁波在真空中的传播速度(3×10八立方米m/s）。
Y为介质的相对介电常数，
从为同轴电缆的相对磁导率(大多数液体其近似等于l}o
我们可以得到:
若电磁波在同轴导波杆上的传播距离为L，那么回波信号的传播时间为:根据这个实际传播速度结合时间就可以计算出液位[[19]。因此，的深度:
L可以表示为液位因罐体高度为H，***后得到的液位高度为:
h=H一L导波雷达测量系统示意图如图2-5所示。
图中为整个导波雷达测量系统，导波雷达液位计发送的是窄脉冲信号，对刚性杆***大测量范围为6.1 m，柔性杆为***大范围则为30m。在实际测量中，在量程的上部和下部都会存在一段死区，分别为上部死区和下部死区，其长度分别为Lz和L,，这两个死区的特性是非线性的，所以造成测量误差会偏大。我们把上部死区的较低点定义为上参考点，用它来代表液位的满点(***高可测点)和20mA输出电流。下部死区的***高点则定义为下参考点，用它来代表液位的零点(较低可测。
点)和4mA输出电流。在导波杆末端到罐底的距离为L。
由此，在实际应用时，液位的计算需要考虑到上部死区和下部死区的因素。在液位显示时需要加上杆末端距离罐底的距离L。和下部死区的高度L1 [21] o
一般液位测量时只需要测量一定范围内的高度，即有效量程为两个死区之间的高度，也叫线性区。
在罐体内实际显示的液位高度(即以下参考点作为零点)为:
hD = h一L。一L, 这里L+L、是液位的整体迁移量。
本章主要是对导波雷达液位计进行了理论分析，首先介绍了导波雷达液位计测量所需要的时域反射原理，接着详细讲述了导波雷达测量系统的原理，***后则概括了本课题所设计的导波雷达液位计所要实现的功能和特点。
CPR2100雷达物位计便宜的
导波雷达液位计主要由雷达变送器、过程密封件和导波杆三部分组成。表头内部安装雷达变送器，采用一次压铸成型的双室结构，带LCD显示，大多数情况下可以向任意方向旋转，便于现场观察。根据不同的环境条件选择相应表头材质，常规条件下可以选择聚氨酯涂层，沿海地区可以考虑316ss等耐腐蚀性不锈钢。导波杆共分为两 类五种，即硬杆类，包括同轴、单杆和双杆三种;软缆类，包括单缆和双缆两种。
导波雷达液位计配备不同的探头，以满足各种应用要求。硬杆类导波雷达液位计测量范围较小，制造商推荐可选范围一般在0~6m，而软缆类导波雷达液位计测量范围较大，制造商推荐可选范围通常在0~50m内，甚至可以达到80m，所以导波杆长度可根据测量要求，自由定制选择。
硬杆类中的单杆式探头能量传输效率较低，外界干扰敏感，是受物体接近程度影响较大的探头，应避免靠近干扰物安装，如设备内壁或容器内构件等。适合测量小量程的液体和粉末状或小颗粒固体料位。
同轴式探头能量集中在小口径的金属管内，能量传输效率高，不受液面湍动的影响，抗干扰能力强，安装空间要求低，可以近容器内金属构件安装或者与其他物位仪表装在同一旁通管内，且不会相互影响。其结构特点决定了其更适用于低黏度的清洁介质，介电常数液体或界位测量，而在挂料和结晶的应用场合容易产生测量误差，因此不适用高黏度的、易挂料、易结垢的场合的物位测量，如重油型加工处理装置中的原料罐、地下污油罐等。
软缆类中的单缆式探头底部配有重锤，主要用于测量大量程的液体和固体料位。硬杆类型中的双杆、软缆类型中的双缆与单杆、单缆相比，增加为平行双探头，导波雷达液位计能量集中在两个探头之间，测量能力，抗干扰、抗黏附能力高于单探头，灵敏度低于同轴探头。
LD700LD型导波雷达液位计是采用微波技术来检测料位的高科技产品，该料位仪利用微波具有穿透性好，对恶劣环境及被测物料适应性强等特点，采用世界上的大规模集成电路，利用雷达原理、数字信号处理技术和傅里叶变换（FFT）技术。采用连续式乍动测量，能测量液体、固体（块状、粉状）料位，具有测距远（35米）、高等特点。
使用对象: HC700LD型导波雷达液位计适用于高温（350℃）、高压、真空、蒸汽、高粉尘及挥发性气体等恶劣环境。可对不同料位进行连续测量。该仪器主要技术达到或优于国内外同类产品,且安装调试简便，可以单台使用，也可组网使用，可广泛应用于冶金、建材、能源、石化、水利、粮食等行业。
特性与优势: 1、无盲区，高。 2、两线制技术，是差压仪表、磁致伸缩、射频导纳、磁翻板仪表的优良替代产品。 3、不受压力变化、温度变化、惰性气体、真空、烟尘、蒸汽等环境影响。 4、安装简便，牢固耐用，免维护。 5、HART或PROFIBUS-PA通信协议及基金现场总线协议，标定简便、通过数字液晶显示轻松实现现场标定操作，通过软件GDPF实现简单的组态设定和编程。 6、测量灵敏，刷新速度快。
7、适用于高温工况，高达200℃过程温度，当采用高温延长天线时可达300℃。
测量原理:
LD700LD型导波雷达液位计是基于时间行程原理的测量仪表，发射能量很低的短的微波脉冲通过天线系统发射并接收。雷达波以光速运行。运行时间可以通过电子部件转换成物位信号。探头发出高频脉冲并沿缆式或杆式探头传导，当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表 内的接收器接收，并将距离信号转化为物位信号。一种的时间延伸方法可以确保短时间内稳定和的测量。
物位测量的仪表在选型时，与压力或流量测量等仪表有很大不同。这是因为物位测量的现场情况千差万别，而生产商又很难设计出能满足工况应用的物位仪表。只有充分了解仪表特点及现场应用条件，才能正确选择所需要的产品，同时充分发挥仪表的测量性能。
雷达物位计的回波质量主要受以下因素影响:
1.传播介质的介电常数，该常数越稳定越有利于传播。雷达波是电磁波，电磁波在传播过程中不受传播介质稳定程度的影响，只与其介电常数有关。这是雷达技术与超声波技术的重大区别。
2.被测介质表面状况，表面越平整，其介电常数越大，则越有利于回波反射。
所以考虑现场情况时，应注意这两个方面:
1.天线到被测介质间空气介电常数的分布
2.被测介质的表面状态及其介电常数。
雷达物位计的优点是:不受空气波动影响，随距离衰减小，穿透力强。
雷达物位计的种类及应用:
雷达物位计目前已成为市场上的主流产品，主要分为脉冲雷达物位计和导波雷达物位计。低频脉冲雷达物位计尽管具有价格相对低廉的优点，但在主要应用领域中，属于逐渐被淘汰的产品。
与低频脉冲雷达物位计相比，高频脉冲雷达物位计在应用过程中有以下优点:
1.高频雷达物位计(主要指26GHz和24GHz)具有能量高，波束角小，天线尺寸小，精度高等优点。
2.26GHz雷达波长11mm，6GHz雷达波长50mm，雷达物位计在测量散装料位时，雷达波反射主要来自料面的漫反射，漫反射的强度与物料大小成正比，与波长成反比，而大部份散装料直径远远小于50mm，这就是目前26GHz雷达是测量散装料物位*选择的原因。
3.在一些直径小而高度并不是很高的小型罐的应用中，6GHz雷达天线长(300-400mm)无形中增大了盲区(大约600mm)，另外由于6GHz雷达方向性差(开角大)在小罐中会产生多径反射;而26GHz雷达频率高，天线短，方向性好，克服了6GHz雷达的缺点，适用于小罐测量。
4.由于现场环境恶劣，随着时间推移，雷达天线会堆积污物、水汽等，26GHz雷达天线小，附加天线罩可大大改善因污物、水汽造成的影响;6GHz雷达天线大，加天线罩很困难。且仪表较沉重，清理困难。
5.由于26GHz雷达方向性好，很多恶劣工况，可通过简单隔离，将雷达物位计装在容器外进行测量。
CPR2100雷达物位计便宜的
液体测量的应用方案
对于易结晶介质，传感器配备PTFE天线罩结垢，同时保持ε＞1.4的介电常数要求。强腐蚀性液体测量采用全密封316L不锈钢外壳，耐98%浓硫酸腐蚀。某化工厂测量发烟硫酸（ε=110）时，通过调整回波阈值使信号强度稳定在-70dBm以上。导波雷达技术利用探杆引导电磁波，可穿透泡沫层检测真实液位。小型储罐（＜3m）推荐使用5°窄波束天线，避免罐壁反射干扰。