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導(dǎo)波雷達(dá)液位測量技術(shù)的新發(fā)展探究
總觀工業(yè)儀表的發(fā)展進(jìn)程，每種新的測量技術(shù)都是為解決工業(yè)過程測量中的某些難題而發(fā)展起來的，從而提高了測量技術(shù)的水平并帶來相應(yīng)的工業(yè)效應(yīng)。近幾年來，由于雷達(dá)液位儀表測量精度高、使用范圍廣而受到廣大技術(shù)人員的歡迎。有人認(rèn)為，雷達(dá)液位測量技術(shù)是一種全能的液位測量技術(shù)，可應(yīng)用于所有介質(zhì)的液位測量。果真如此嗎？筆者認(rèn)為并非如此，雷達(dá)液位計(jì)有其使用的局限性；而出現(xiàn)的導(dǎo)波雷達(dá)GWR Guided Wave Rada]液位測量技術(shù)則彌補(bǔ)了雷達(dá)測量液位中的缺陷，從而具有更廣闊的應(yīng)用前景。
一、雷達(dá)與導(dǎo)波雷達(dá)
顧名思義，雷達(dá)指通過空間傳播發(fā)射和接收電磁波的液位測量儀表，導(dǎo)波雷達(dá)則是通過波導(dǎo)體傳導(dǎo)來發(fā)射和接收電磁波的液位測量儀表。
用雷達(dá)儀表測量液位似乎是完美無缺，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、發(fā)射與接收天線均不與介質(zhì)接觸；2、高頻電磁波信號(hào)易于長距離傳送，可側(cè)大量程；3、測量不受液面上部空間氣相條件變化的影響。許多雷達(dá)液位儀表制造商認(rèn)為，對該儀表惟一的挑戰(zhàn)是需要將價(jià)格降到可與其它液位儀表相匹敵的水平即可全面推廣應(yīng)用。但隨著雷達(dá)儀表越來越多的使用，其缺點(diǎn)也越來越明顯。
雷達(dá)通過反射和接收高頻[GHZ]級(jí)、電磁能量，并計(jì)算電磁波達(dá)到液體面并反射回到接收天線的時(shí)間來進(jìn)行液位測量；與超聲波液位計(jì)相比，由于超聲波液位計(jì)聲波傳送的固有局限性，雷達(dá)液位計(jì)性能大大優(yōu)于超聲波液位計(jì)。超聲波液位計(jì)聲納所發(fā)出的聲波是一種通過大氣傳播的機(jī)械波，大氣成分的構(gòu)成會(huì)引起聲速的變化，例如液體的蒸發(fā)汽化會(huì)改變聲波的傳播速度，從而引起聲波液位測量的誤差。而電磁能量的傳送則沒有這些局限性，它可以在缺少空氣（真空）或具有汽化介質(zhì)的條件下傳播，并且氣體的波動(dòng)不影響電磁波的傳播速度。
雷達(dá)液位測量儀表天線的輻射能約為1mW，是一種微弱的信號(hào)，當(dāng)這種信號(hào)發(fā)射進(jìn)入空氣中傳播時(shí)，能量減弱的非常快，當(dāng)信號(hào)到達(dá)液面并反射回來時(shí)，自液面反射的信號(hào)強(qiáng)度[振幅、與液面的介電常數(shù)有直接關(guān)系，介電常數(shù)非常低的非導(dǎo)電類介質(zhì)，如氫類液體，反射回來的信號(hào)非常小這種被削弱的信號(hào)在返回至安裝于罐頂部的接收天線的途中，能量又被進(jìn)一步削弱，雷達(dá)液位計(jì)所接收到的返回信號(hào)能量小于它所發(fā)出信號(hào)能量的1%；當(dāng)液面出現(xiàn)波動(dòng)和泡沫時(shí)，情況就變的更復(fù)雜，它將信號(hào)散射脫離傳播途徑或吸收大部分能量，從而使返回到雷達(dá)液面功能，能從大量的雜散波中分辨出真實(shí)的液位信號(hào)，當(dāng)用于上述介質(zhì)條件，則石油產(chǎn)品液位，液面波動(dòng)厲害、起泡沫等、和復(fù)雜安裝環(huán)境情況時(shí)，雷達(dá)液位儀表制造廠商不得不降低其儀表性能指標(biāo)或干脆拒絕在這種場所使用。
為了彌補(bǔ)雷達(dá)液位計(jì)的這些缺陷，導(dǎo)波雷達(dá)液位儀表運(yùn)用而生，導(dǎo)波雷達(dá)的工作原理與常規(guī)通過空間傳播電磁波的雷達(dá)非常相似，
GWR的基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性TDR[TIME DO MAIN REFECTORY]多年來TDR一直被用于檢測發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內(nèi)埋設(shè)電纜的斷頭。
測電纜斷頭時(shí)，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號(hào)沿電纜傳播，遇到斷頭時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生測量反射脈沖；同時(shí)，在接收器中預(yù)先設(shè)定好的與電纜總長度相應(yīng)的阻抗變化也引發(fā)出一個(gè)基本脈沖，將反射脈沖與基本脈沖相比較，可精確測出斷頭的位置。
將該原理用于液位測量時(shí)，TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生20萬個(gè)能量脈沖并發(fā)送入波導(dǎo)體與液體表面的接觸時(shí)，由于波導(dǎo)體在氣體中和液體中的導(dǎo)電性能大不相同，這種波導(dǎo)體導(dǎo)電性的改變使波導(dǎo)體的阻抗發(fā)生聚燃變化，從而產(chǎn)生一個(gè)液位反射原始脈脈沖，同時(shí)在探頭的頂部具有一個(gè)預(yù)先設(shè)定的阻抗，該阻抗導(dǎo)致一個(gè)可靠的基本脈沖發(fā)生，該脈沖又稱為基線反射脈沖。雷達(dá)液位計(jì)檢查到液位反射原始脈沖，并與基線反射脈沖相比較，計(jì)接受天線的信號(hào)更加弱小或無信號(hào)；另外當(dāng)儲(chǔ)罐中有混合攪拌器、管道、梯子等障礙物時(shí)，這些障礙也會(huì)反射電磁波信號(hào)，從而產(chǎn)生虛假的液位信號(hào)；這就是雷達(dá)液位儀表真實(shí)的工作過程。
正因?yàn)槿绱?，盡管雷達(dá)液位儀表的變送環(huán)節(jié)具有功能完善的微處理器，有較強(qiáng)的信號(hào)處理和分辨從而計(jì)算出介質(zhì)的液位高度。高導(dǎo)電性介質(zhì)[例如水等、液位產(chǎn)生較強(qiáng)的反射脈沖，而低導(dǎo)電性介質(zhì)[如烴類、產(chǎn)生反射較弱，低導(dǎo)電性介質(zhì)使得某些電磁波能沿著探頭[波導(dǎo)體、穿過液面繼續(xù)向下傳播，直至*消散或被一種較高導(dǎo)電性的介質(zhì)反射回來，這就使我們有可能采用GWR測量兩種液體的界面[如油/水界面]等，條件是界面下的液體介電常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于界面上液體的介電常數(shù)。