什么是導波雷達液位計|導波雷達液位計工作原理

什么是導波雷達液位計|導波雷達液位計工作原理

  導波雷達液位計在檢測液位時采用的是時域反射（TDR）原理，信號的傳輸介質是同軸電纜和導波桿，可以認為導波雷達液位計進行液位檢測是基于傳輸線的特性的。以下簡要介紹 TDR 的原理。

  同軸電纜和導波桿是比較常用的信號傳輸線，我們可以把它等效為理想的雙導線傳輸線，由相同的很多小的部分組成，每個小的部分又由很多的電阻 R、電容C、電感 L 和電導 G 等元件一起組成，并且同軸電纜和同軸導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相接觸，由于介電常數（這里用rε 來表示）是不同的，會使相接觸部分的等效阻抗發生一定變化。當同軸電纜的某一端發射出脈沖信號時，脈沖信號會沿電纜進行傳輸。如果傳輸中沒有與其他介質的接觸時，那么對應的負載阻抗和電纜的特征阻抗相等，那么脈沖會被吸收因此沒有回波信號產生；如果發生與其他介質的接觸時，那么對應的負載阻抗就會發生變化，使之和特征阻抗不相等，就會產生回波信號。

  這里定義一個反射系數為 ρ ，它是反射信號與發射信號的幅度的比值，我們用它來用來表示負載阻抗和特性阻抗的關系。

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

， ρ =0 ，發射脈沖會被吸收，沒有回其中：tZ 表示任意一點的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各種情況時阻抗和反射系數的不同如下所示：

1．當同軸電纜傳輸正常時，那么t cZ =Z ， ρ =0 ，發射脈沖會被吸收，沒有回

圖 2-2 斷路回波信號示意圖

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

圖 2-3 短路回波信號示意圖

  當脈沖信號在導波桿上傳輸時，如果碰上其他介質就會使該點的阻抗變化，從而反射系數也會發生變化，會產生回波信號。我們可以進一步計算發射脈沖和回波脈沖的時間差就能計算出發射電路到該介質接觸點的距離。
 

導波雷達測量系統原理：

    導波雷達液位計就是時域反射原理來進行測量的，測量過程我們分為信號傳播和整個測量系統來作介紹。

    導波雷達信號傳播示意圖如圖2-4所示。

    在機械機構上，儀表的表頭內部的收發電路會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在法蘭的位置與同軸導波桿連接。導波桿則是直接插入到罐體的介質內，導波桿的末端與罐底底部則是有一段距離的。

    根據左圖可以看到，電路板輸出的脈沖信號會通過同軸電纜，再在同軸導波桿上進行傳播。由2.1節的介紹，在同軸電纜和導波桿的連接處會首先發生斷路，進而一部分信號會產生一個頂部回波信號，但是仍有一部分信號還會繼續沿導波桿傳播。當信號與被測液體表面接觸時，其阻抗特性會發生變化，其一部分也會被反射，會再產生一個真正的液位回波信號。也會有另外一部分信號仍然會繼續向下傳播，終會損耗在不斷發射中。液位計可以判斷出液位回波和頂部回波之間的時間差，根據這個時間差，我們用單片機進行計算就可以得到液位的高度。

    根據右圖所示，在罐體為空的時候，沒有液位就不會發生液位回波信號，但是仍然會有頂部回波信號，而且在導波桿的底部會斷路而產生一個的底部回波信號‘。

    假如罐體內有兩種不同的介質，由于密度不同這兩種介質會分別存在于液體的上部和下部。如果這兩種介質的介電常數大不相同，那么就可以通過回波的不同來判斷兩種介質的分界面，進而也可以得出這兩種介質的不同高度。由于脈沖信號是通過導波桿傳播，導波桿上的空氣、氣態的凝結不會影響性能，因此可以長時間測量低介電常數的產品。一般情況下被測液體的介電常數越大回波信號也就越強，也就更容易檢測出液位，比如水比丁烷更容易測量。

    假設電磁信號在介質中傳輸無損耗，則信號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為介質的相對介電常數，

    從為同軸電纜的相對磁導率(大多數液體其近似等于l}o

我們可以得到:

若電磁波在同軸導波桿上的傳播距離為L，那么回波信號的傳播時間為:根據這個實際傳播速度結合時間就可以計算出液位[[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導波雷達測量系統示意圖如圖2-5所示。

    圖中為整個導波雷達測量系統，導波雷達液位計發送的是窄脈沖信號，對剛性桿大測量范圍為6.1 m，柔性桿為大范圍則為30m。在實際測量中，在量程的上部和下部都會存在一段死區，分別為上部死區和下部死區，其長度分別為Lz和L,，這兩個死區的特性是非線性的，所以造成測量誤差會偏大。我們把上部死區的低點定義為上參考點，用它來代表液位的滿點(zui高可測點)和20mA輸出電流。下部死區的zui高點則定義為下參考點，用它來代表液位的零點(低可測。

點)和4mA輸出電流。在導波桿末端到罐底的距離為L。

    由此，在實際應用時，液位的計算需要考慮到上部死區和下部死區的因素。在液位顯示時需要加上桿末端距離罐底的距離L。和下部死區的高度L1 [21] o

    一般液位測量時只需要測量一定范圍內的高度，即有效量程為兩個死區之間的高度，也叫線性區。

    在罐體內實際顯示的液位高度(即以下參考點作為零點)為:

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

    本章主要是對導波雷達液位計進行了理論分析，首先介紹了導波雷達液位計測量所需要的時域反射原理，接著詳細講述了導波雷達測量系統的原理，后則概括了本課題所設計的導波雷達液位計所要實現的功能和特點。