物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展
物位測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)上從機(jī)械式儀表向電子式儀表發(fā)展，以及工作方式上由接觸式向非接觸式發(fā)展的過(guò)程。
上圖中，前4種測(cè)量技術(shù)都屬于接觸式測(cè)量方法，第5種輻射法為非接觸測(cè)量方法。其中，直視法是指眼睛可以直接觀測(cè)到介質(zhì)容量變化的一種方法；測(cè)力法是指通過(guò)被測(cè)介質(zhì)對(duì)指示器或傳感器等目標(biāo)施加外力來(lái)測(cè)量的方法；壓力法是由被測(cè)介質(zhì)施加在測(cè)量探頭而產(chǎn)生壓力進(jìn)行測(cè)量的方法；電特性法是利用被測(cè)介質(zhì)的電特性進(jìn)行測(cè)量的方法；輻射法采用電磁頻譜原理技術(shù)。
前4種方法需要測(cè)量?jī)x器的全部或一部分部件與被測(cè)介質(zhì)(固體或液體物料)相接觸才能達(dá)到測(cè)量的目的。從長(zhǎng)期來(lái)看，物料粘附物及沉積物會(huì)對(duì)這些機(jī)械部件產(chǎn)生附著，當(dāng)物料為腐蝕性或易產(chǎn)生水銹的介質(zhì)時(shí)，對(duì)儀器精度的影響將更加嚴(yán)重。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)物位儀表zui基本的要求是高精度和高可靠性，這就需要有應(yīng)用范圍更大、精度更高的技術(shù)出現(xiàn)。
TOF測(cè)量原理
近幾年來(lái)，發(fā)展較快的是行程時(shí)間或傳播時(shí)間ToF ( time of flight )測(cè)量原理，又稱(chēng)回波測(cè)距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時(shí)間來(lái)進(jìn)行度量的一種方法。能量波在信號(hào)源與被測(cè)對(duì)象之間傳遞，能量波到達(dá)被測(cè)對(duì)象后被反射并返回到探頭上被接收，屬于非接觸測(cè)距。
ToF 測(cè)量技術(shù)可以利用的能量波有機(jī)械波(聲或超聲波)、電磁波(通常為K波段或C波段的微波)和激光(通常為紅外波段的激光)，相應(yīng)的物位計(jì)稱(chēng)為超聲波物位計(jì)、微波物位計(jì)和激光物位計(jì)。
雷達(dá)物位計(jì)分類(lèi)
盡管輻射法物位計(jì)都是采用ToF測(cè)量原理，但所采用的能量波不同時(shí)，信號(hào)的反射機(jī)理及在信號(hào)處理等方面都有很大的不同。以現(xiàn)在常用的超聲波和微波物位計(jì)為例，它們都采用ToF測(cè)量原理，都需要一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)回波信號(hào)接收器，但兩種能量波在性質(zhì)、頻率范圍、反射方法以及對(duì)于包含距離信號(hào)的反射波的處理上都有比較大的差別。
超聲波物位計(jì)與微波物位計(jì)的對(duì)比
電磁波的波段從3kHz～3000GHz ，微波是指頻率為300MHz～300GHz的電磁波。在物位檢測(cè)中，微波使用的頻段規(guī)定在4～30GHz之間，典型波段為6.3GHz、10GHz 、26GHz。6.3 GHz 的頻率屬于C波段微波;10GHz的頻率屬于X波段微波;26GHz的頻率屬于K波段微波。
聲波是機(jī)械波，頻率范圍為20Hz～20kHz ，因此，當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率高于20kHz或低于20kHz時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。我們把頻率高于20kHz 的聲波稱(chēng)為“超聲波”。
電磁波與聲波產(chǎn)生的原理是不同的，聲波是靠物質(zhì)的振動(dòng)產(chǎn)生的，在真空中不能傳播;而電磁波是靠電子的振蕩產(chǎn)生的，其本身就是一種物質(zhì)，傳播不需要介質(zhì)，能在真空中傳播。這兩種波在通過(guò)不同的介質(zhì)時(shí)都會(huì)發(fā)生折射、反射、繞射和散射及吸收等現(xiàn)象，物位計(jì)正是應(yīng)用這種特性來(lái)測(cè)量距離的。
超聲波物位計(jì)由聲納技術(shù)衍化而來(lái)，其安裝方式有頂部安裝和底部安裝兩種。早期的超聲物位計(jì)采用的也是液體導(dǎo)聲，超聲探頭安裝在料罐底部外，超聲波從底部傳入，經(jīng)被測(cè)液體傳播到液面，反射后傳回探頭。超聲波傳播時(shí)間與液位的高低成正比。由于超聲波在各種被測(cè)介質(zhì)中傳播的聲速不同，所以很難做成通用產(chǎn)品;且料罐底部(尤其是液體料罐的底部)安裝探頭的方法在實(shí)用中往往也有困難。因此，在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中，利用空氣作為導(dǎo)聲介質(zhì)的頂部安裝應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
與超聲波物位計(jì)相比，雷達(dá)物位計(jì)的微波信號(hào)是在不同介電常數(shù)的分界面上反射的。微波以光速傳播，速度幾乎不受介質(zhì)特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2dB/km 。回波信號(hào)強(qiáng)弱很大程度上取決于被測(cè)液面上的反射情況。在被測(cè)液面上的反射率除了取決于被測(cè)物料的面積和形狀外，主要取決于物料的相對(duì)介電常數(shù)εr。相對(duì)介電常數(shù)高，反射率也高，得到的回波強(qiáng)度高;相對(duì)介電常數(shù)低，物料會(huì)吸收部分微波能量，回波強(qiáng)度較低。
近年來(lái)，微電子技術(shù)的滲入大大促進(jìn)了新型物位測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，新的測(cè)量技術(shù)促使物位測(cè)量?jī)x表產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大變化。電池供電及無(wú)線雷達(dá)式物位儀表也開(kāi)始在市場(chǎng)上出現(xiàn)。所有這些技術(shù)上取得的進(jìn)步以及不斷下降的價(jià)格正推動(dòng)著雷達(dá)式物位儀表的不斷增長(zhǎng)。
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