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特殊介质测量的定制方案
高温熔体（＞400℃）测量采用水冷法兰（流量2m³/h）保护传感器，波导延伸管耐温达800℃。强粘附性介质使用自清洁天线，每秒1次的微振动防止挂料。某沥青储罐应用案例中，带刮刀装置的传感器使维护周期从1周延长至6个月。卫生型设计满足3A标准，Tri-Clamp快装接口表面粗糙度Ra＜0.8μm。最新研发的透波窗口材料（如蓝宝石）可测量ε＜1.4的超低介电常数介质。
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。
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-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）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。
1、能耗低。信号能量小，为信号至液面往返传输提供一条快捷的通道，信号的衰减保持在小限度，因而可用以测量介电常数低的介质液位；另外由于导波雷达耗能小，供电回路不是单独的交流供电，从而大大节省了安装费用。
2、信号在传输中不受介质波动和储罐中的障碍物等的影响，因而仪表所接收到的返回信号能量相应较强，而且返回信号中的干扰性杂散信号小，基本对测量信号无影响。
3、介质介电常数的变化对测量性能影响不大，导波雷达和常规雷达一样，采用传输时间来测量介质液位，信号自介质表面或水面反射回传的时间一样。不同的只是信号幅度的差别，普通雷达需考虑介质的影响，比较难辨识真正的液位信号，而导波雷达仅需测量电磁波的传输时间即可，无需信号的处理和辨别。
4、介质密度的变化不影响测量，介质密度的变化影响浸没于介质中物体所受到的浮力，但不影响电磁波在波导体中的传播。
5、雾气和泡沫不影响测量，由于电磁波不通过空间传播，因而雾气不会引起信号的衰减，泡沫也不会对信号进行散射而损失能量。
导波雷达液位计是依据时域反射原理（TDR）为基础的雷达液位计，采用高频振荡器作为电磁脉冲发生体，发射电磁脉冲，沿导波缆或导波杆向下传播，当遇到被测介质表面时，雷达液位计的部分电磁脉冲被反射回来，形成回波。并沿相同路径返回到脉冲发射装置，通过测量发射波与反射波的运行时间，经 t=2d/c 公式，计算得出液位高度。
根据图（a）所示，导波雷达液位计发射电磁脉冲时，在通过导波缆顶部的时候，由于距发射端较近，会产生一个虚假回波，可通过滤除虚假回波，来消除干扰。电磁脉冲沿导波缆向下传播时，当信号到达被测介质表面时，回波一部分会被反射，并在回波曲线上产生一个阶跃性变化。另外一部分信号仍然会继续向下传播，直到损耗在不断发射中。液位计通过检测出液位回波和顶部发射回波之间的时间差，根据这个时间差，经过智能化信号处理器，进行计算就可以得到液位的高度。
从图（b）可以看出，在空罐的时候，没有液位就不会检测到液位回波信号，但是顶部虚假回波同样会存在，电磁脉冲传输到导波缆的底部，罐底会产生一个回波。假如罐体内有两种不相溶的介质，由于密度不同，两种介质会分为上下两层。如果且这两种介质的介电常数相差大，那么就可以通过回波信号的不同来判断两种介质的界面，进而计算出两种介质的高度以及界面的高度。由于电磁脉冲是通过导波缆向下传播，信号衰减比较小，因而可以测量低介电常数的介质。一般情况下被测介质的相对介电常数越大，反射回来的脉冲信号就越强。也就更容易区分出虚假回波。更容易得到真实液位。比如水比甲醇更容易测量。
介质的相对介电常数是表征介质化的一个物理量，它是由介质本身的属性决定的。因此，介质不同，相对介电常数也不同。被测介质的介电常数大小直接影响高频脉冲信号的反射率。当电磁脉冲到达介质表面时，电磁波会发生反射和折射。相对介电常数越大，则反射的损耗越小，相反相对介电常数越小，则发射的损耗越大，信号衰减的越严重。当被测介质的电导率大于10mS/cm，则会反射回来，即回波信号越强。由于过小的相对介电常数会导致信号度衰减。因而每一种导波雷达液位计都具有一项小相对介电常数，确保雷达液位计能够正常使用。不同公司的导波雷达液位计在结构设计上不同，对小相对介电常数的要求也不同。
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NIVELCO 导波雷达液位计是测量液位的方法；导波雷达液位计测量不受罐体形状的影响；也不受介电常数、温度、压力与密度的影响；导波雷达液位计的测量长度可以灵活变更，无须标定；测量结果具有高、可重复性、高分辩率；NIVELCO导波雷达液位计的测量范围可达24米，适用的介质温度范围-50℃∽＋250℃，适用的压力范围40bar；导波雷达液位计有多种探头类型和材质可供选择；数字化显示可供选择。
导波雷达液位计的技术参数如下:
液体:量程小于15m时，±5m；量程大于15时，测量值5m±0.05%
温度飘移 0.01%/℃
重复性 2m
介质温度-50～250℃
法兰温度-30～200℃/-30～150℃爆型
环境温度-30～60℃/-30～5℃爆型
耐压 40bar
表头显示 LCD可选
标准输出 4～20mA/HART
故障诊断输出 2mA
供电 18～35VDC/小于28VDC爆型
外壳材料铸铝还氧涂层
护等级 NEMA（IP65）
爆 ATEX II 1G 或II 1/2 D T 100℃EEX ia II C T6.。。T3或EEX ia II B T6.。。T3
重量 2Kg（无探头）
雷达液位计是对一系列用雷达原理测量液位高低的仪器的总称，导波雷达液位计就是增加了导波功能的雷达液位计，那么，导波雷达液位计原理是怎么样的呢?其中“导波”是什么意思呢?
“导波”的意思是指雷达从杂波中把目标信号检测出来。我们知道，雷达波遇到测量液面后在反射回来，通过计算时间、介质等，就能得出所测量液面的高低，然而由于液体表面有雾气和泡沫物体、介质在波导体上的沉积和涂污的回波信号存在，雷达很难分辨出那一个回波才是真正的目标。导波雷达采用一个波导体(探头)传播电磁能量，具有常规通过空间传播电磁波的雷达液位仪表的性能，并具有如下的优点，可很好地用于石油化工设备中烃类及其他介质液位的测量。
总而言之，“导波”就是“引导目标信号”的意思，使用导波雷达液位计有以下优点:
1、由于信号在波导体中传输不受液面波动和储罐中的障碍物等的影响，因而仪表所接收到的返回信号能量相应较强，约为所发射能量的20%，而且返回信号中的干扰性杂散信号小，基本对测量信号无影响。
2、介质密度的变化对测量无影响，介质密度的变化影响浸没于介质中物体所受到的浮力，但不影响电磁波在波导体中的传播。
3、能耗低。GWR输出到波导探头的信号能量小，约为常规雷达发射能量(1mW)的10%。这是因为波导体为信号至液面往返传输提供一条快捷的通道，信号的衰减保持在小限度，因而可用以测量介电常数低的介质液位;另外由于导波雷达耗能小，采用回路供电而不是单独的交流供电，从而大大节省了安装费用。
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固体散料测量的技术突破
低介电常数（ε＜2）粉料测量是行业难题，80GHz雷达传感器通过增强发射功率（＜20mW）和窄波束（＜4°）提升信号反射率。某电厂粉煤灰仓实测显示，传统26GHz雷达回波强度仅-90dBm，而80GHz型号达-65dBm。粉尘环境需配备0.3MPa压缩空气吹扫装置，天线积灰。多目标识别算法可区分下落物料与料位面，动态测量误差控制在0.5%FS以内。料仓倾斜时，三维建模技术能自动补偿斜面导致的测量偏差。
产品概述
杆式导波雷达液位计是使用非接触式高频雷达液位测量仪表，便捷的安装方式和标准的通信接口4～20mA(HART)、RS-485与PLC、DCS通讯该产品还具有防爆和本安两种形式，可广泛适用石油，化工，食品，水处理等行业的液位、料位的连续测量。
产品特点
○适合多种场合的液位料位测量;
○防爆和本安设计可广泛用在石油化工领域;
○杆式导波雷达液位计采用了高达26GHz的发射频率，雷达液位计可以应用于各种复杂工况;
○4～20mA(HART)标准信号、RS485支持Modbus RTU通讯接口，可实现数据的远距离传输;
○体积小、重量轻、结构精巧、安装便捷;
○精度高、*稳定性好、无维护工作量;
○防潮、防尘、防雷击、防射频干扰;
○模块化设计;
○本安型仪表可在不停电的情况不开壳调校测试;
○测试与标定无需介质;
○非接触式测量，无机械磨损，使用寿命长;
○可配套显示仪，实现罐下显示。
技术参数
外形尺寸
安装示意
安装要求:一般采用标准法兰安装到罐顶，也可采用旁通管安装，导波管安装等多种方式。高频雷达放置在罐体直径的1/4或1/6处，距罐壁不小于200mm，26G天线伸入到罐里至少10mm；测量锥形罐体，应安装在锥形罐体平面的中间，可以测量到锥形顶部；测量有堆料的罐体，法兰选型应选择万向法兰（可调节方向）。
注意事项:液位计不能安装在进出料口处，拱形、圆形罐不要将仪表安装在顶部中心，避免多次强波反射；避免安装在有很强涡流的地方。如有搅拌或很强的化学反应等，建议采用导波管或旁通管安装方式；导波管安装时要注意内壁一定要光滑，下面开口的导波管达到需要的底部液位。
配置表
电气连接