1、微波物位計

　　微波物位計(俗稱雷達物位計)利用回波測距原理,其喇叭狀或桿式天線向被測物料面發(fā)射微披,微被傳播到不同相對介電率的物料表面時會產(chǎn)生反射,并被天線所接收。發(fā)射波與接收波的時間差與物料面與天線的距離成正比，測出傳播時間即可得知距離。由于微波是電磁波，以光速傳播且不受介質(zhì)特性影響，所以在一些有溫度、壓力、蒸汽等場合,超聲物位計不能正常工作,而微植物位計可以使用。在石油及石化領(lǐng)域有較廣闊的應(yīng)用前景。

　　微波物位計有兩種工作模式。

　　(1)脈沖波方式:其工作模式與超聲物位計相似,天線周期地發(fā)射微波脈沖,并接收物料面回披,同時對回披信號進行分析處理,確認有效回波,據(jù)之計算物位。**度約為0.2~0.3%F.S.。一般中檔以下的微植物位計都用此方式。原來生產(chǎn)起聲物位計的廠家大多采用此方式生產(chǎn)微植物位計。如:Vega、E+H、Siemens-Milltronics等。濕度傳感器探頭, ,不銹鋼電熱管 PT100傳感器, ,鑄鋁加熱器,加熱圈  流體電磁閥

　　(2)調(diào)頻連續(xù)波方式(FMCW):天線發(fā)射的微波是頻率被線性調(diào)制的連續(xù)披,當(dāng)回波被天線接收到時,天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射肢的頻率差可以計算出物料面的距離。FMCW方式測量線路較復(fù)雜,價格較高,但測量**度較高,可以達0.1%F.s.,甚至更高。同時干擾回波也較易去除,一般較**的產(chǎn)晶都采用此方案。概況物位測量技術(shù)發(fā)展及我國物位儀表工業(yè)

　　微波物位計剛進入市場時,曾被寄予過高的期望,實用中發(fā)現(xiàn)局限性也很大。普通的微波物位計要求被測物料為ε1>4,精密型的可低至ε2>2。ε1>2的介質(zhì)因反射波微弱而不能穩(wěn)定測量,而石化系統(tǒng)中有些介電常數(shù)ε1低的介質(zhì),如:液化氣等,就得不到穩(wěn)定的測量結(jié)果,必須加導(dǎo)披管來集中能量。概況物位測量技術(shù)發(fā)展及我國物位儀表工業(yè)

　　另外,大多數(shù)脈沖式微披物位計采用的微披頻率為5.8GHz,其輻射角較大,在儲罐中除了液面回波外,還會產(chǎn)生其它干擾回披,使接收回被復(fù)雜,難以確認液面回披。在臥式罐或拱頂罐內(nèi)使用時,由于頂部會對反射、披產(chǎn)生聚焦效應(yīng),形成多次回波,故不能安裝在罐中心位置。在測量固態(tài)物料時,更會產(chǎn)生各種干擾回波,故大多數(shù)微披物位計不能用于測固態(tài)物位。概況物位測量技術(shù)發(fā)展及我國物位儀表工業(yè)

　　針對這些問題,有的公司(如Siemens)開發(fā)了采用更高頻率(24GHz)的微波物位計,其發(fā)射指向角小于10°,這樣能量集中,不但能測得更遠距離(45m),而且信噪比高,可以測量低介電率的介質(zhì)(ε1〉1.7)。由于內(nèi)置了先進的回披處理軟件,可以用于測量固態(tài)物料物位,甚至可以測量粉狀水泥的物位。

　　2.導(dǎo)波式微波物位計

　　導(dǎo)旋式微植物位測量技術(shù)是微披物位計的一種變型,英文名稱是Time Domain Reflectometry(時域反射法)或簡稱TDR,也俗稱導(dǎo)波雷達,通常采用脈沖波方式工作。與微波物位計不同點在于微波脈沖不是通過空間傳播,而是通過一根(或兩根)從罐頂伸入、直達罐底的導(dǎo)波體傳播。導(dǎo)波體可以是金屬硬桿或柔,性金屬纜繩。微披脈沖沿桿或纜的外側(cè)向下傳播,在被測物料表面上被反射,回披被天線接收,由發(fā)射脈沖與回波脈沖的時間差即可計算出傳播距離。它可以測量的范圍包括液體和固體的物位,以及非導(dǎo)電液體與導(dǎo)電液體的分界面。概況物位測量技術(shù)發(fā)展及我國物位儀表工業(yè)

　　和微波物位計一樣，反射信號的強度取決于被測物料的介電率或?qū)щ娐省５珜?dǎo)波式可以測量更低介電率的物料。其導(dǎo)波體由單根的金屬桿或纜、或現(xiàn)金根或兩根平行的桿或纜、或同軸管構(gòu)成。

　　雙桿(纜)及同鈾管式導(dǎo)波體由于電場能量集中,易受外部結(jié)構(gòu)影響,可以測量較低介電常數(shù)的介質(zhì)(ε1>.5)。但在桿之間(或管內(nèi)部)容易積料,積料上會產(chǎn)生虛假回液,故主要用于液體介質(zhì)。

　　單桿(纜)式可以用于液體介質(zhì),而且因為不易積料,也可以用于粉狀或顆粒狀固態(tài)物料。

　　導(dǎo)波式微波物位計雖然喪失了非接觸的優(yōu)點,但在下列應(yīng)用領(lǐng)域有其獨特優(yōu)勢:

　　(1)低介電常數(shù)的液體,如:液化氣、輕質(zhì)汽油等。如果用普通微波式液位計,因其介電常數(shù)低、反射信號弱導(dǎo)致不能穩(wěn)定工作,也必須加導(dǎo)波管來集中能量,一樣是接觸式。而導(dǎo)旋式價格低,工作更穩(wěn)定,安裝也方便。

　　(2)同時測量油罐中的泊位及油一水界位或類似場合。但必須注意,上層液體必須是非導(dǎo)電的,下層液體必須是導(dǎo)電的或介電常數(shù)較大的。

　　(3)測量固態(tài)物位,特別是粉狀物位或介電常數(shù)很低的塑料粒子(如聚乙烯)的物位。與超聲波及微波物位計相比,工作穩(wěn)定可靠。

　　(4)高溫、高壓的準位測量。如鍋爐汽包及加熱器水位。這種高溫、高壓同時存在的場合能解決的手段不多,通常是用浮筒液位計(電動或氣動)。但由于有活動部件,工作可靠性受影響。現(xiàn)導(dǎo)披式微披物位計己能做到耐高壓34.5MPa(在20℃時)。同時耐高溫高壓的可達到200℃(在29MPa時),及450℃(在13.5MPa時)。由于其探頭部分就是同軸金屬管,所以結(jié)構(gòu)簡單,價格低,對電子式浮筒液位計形成了很大競爭。

　　雖然導(dǎo)波式微波物位計是接觸式的,但價格較低,又有上述優(yōu)點,所以也作為一種受歡迎的測量方法得到發(fā)展。生產(chǎn)廠家也逐漸增多,有KROHNE、E+H、Magnetrol、K-Tek等。

　　3.超聲物位計

　　超聲被測量物位主要利用回披測距原理,技術(shù)發(fā)展已較成熟,應(yīng)用也積累了很多經(jīng)驗。近年來的主要發(fā)展是增加通訊功能,特別是各種現(xiàn)場通訊協(xié)議的選項,如:Profibus-DP、A-B公司的Remote I/O、Modbus RTU、Device net,還能通過調(diào)制解調(diào)器經(jīng)過電話線遠傳,價格下降,加速了普及。

　　超聲物位計應(yīng)用有優(yōu)勢的領(lǐng)域是:

　　塊狀、顆粒狀及粉狀的固態(tài)物位測量。這些領(lǐng)域中超聲波是優(yōu)選的技術(shù)。冶金、礦山、選煤、建材、電力等工業(yè)都有大量料倉,超聲波非接觸的測量方法比傳統(tǒng)的重錘探測式不但安裝方便、工作可靠、維護量少,價格也有競爭性。經(jīng)過多年應(yīng)用后,國內(nèi)電廠及選煤廠輸煤系統(tǒng)中煤倉料位幾乎都使用超聲物位計。

　　干式氣柜等大量程位置測量,又有防爆要求的,也是超聲波占優(yōu)勢的領(lǐng)域,*大量程達90m(如上海真如煤氣站)。

　　隨著對環(huán)境保護的重視,污水處理項目增多。一體型超聲物位計以其使用方便、工作可靠、價格也低廉而得到越來越廣泛的應(yīng)用。還開發(fā)了專門用于環(huán)保行業(yè)的有多種功能的超聲物位計,如:能對集水井中多達五個泵進行控制，并可計算泵送體積;根據(jù)不同時間段電費率的不同來控制泵經(jīng)濟運行;能檢測隔柵前后液位差;能檢測明渠流量。所以在國內(nèi)，超聲物位計也成了污水處理中的優(yōu)選物位儀表。

　　4.大型儲罐液位精密測量

　　石油和石化系統(tǒng)有大量儲罐需測液位,并且據(jù)之計算庫存,**度要求高(±1～2mm),量程大(15m或更高),形成一個專門的需求領(lǐng)域。

　　以往,用得較多的是鋼帶浮于被位計,它是用恒力彈簧來平衡浮子重力的自力式浮于液位計,除了就地指示外,還可將被位信號電傳,**度約2-3mm,不能達到計量級的要求(lmn),一般用于監(jiān)控或內(nèi)部結(jié)算。這類產(chǎn)品應(yīng)用已有五十年以上歷史,國外目前應(yīng)用仍很廣。國內(nèi)聲譽不太好,其原因大都是安裝不規(guī)范,加上沒有很好維護,并不是原理或結(jié)構(gòu)上的問題,只要加強日常維護就能可靠使用。因為并不是所有的儲罐都要**測量到1mm,所以鋼帶液位計仍有廣泛的應(yīng)用市場。國內(nèi)生產(chǎn)廠有北京自動化儀表四廠、大連儀表五廠及上海自儀五廠等。

　　國內(nèi)用得較多的還有光導(dǎo)電子液位計,它是用重錘平衡浮子重力的浮于液位計,與鋼帶浮子液位計屬同一類型。雖然其用光電轉(zhuǎn)換方法讀碼帶**度很高,但浮子跟蹤擅位還是靠被位變化引起的浮于浮力變化來帶動伺服系統(tǒng)。由于系統(tǒng)靜摩擦的存在,靈敏度不可能很高,也需要較好的安裝及維護。從理論上講,不會比鋼帶液位計更高。

　　達到計量級要求**度必須在1mm以內(nèi)。目前有三種測量技術(shù)可以達到此要求。

　　(1)伺服型浮子液位計:它是一個用可逆馬達來帶動浮子自動跟蹤液面變化的自動伺服式液位計。測量液面的**度可達0.7mm,靈敏度可達0.1mm。同時還能測量油水界面

　　國外已經(jīng)應(yīng)用的這類產(chǎn)品生產(chǎn)廠家有荷蘭ENRAF公司、德國E+H公司、日本東京計裝(株)等。國內(nèi)大連第五儀表廠開發(fā)了樣機,但未投入生產(chǎn)。

　　(2)計量級微搜液位計:瑞典Saab公司較早就推出了聲稱達1mm**度的計量級雷達，國內(nèi)也應(yīng)用了不少。但在實際中是否能達到，看法尚不一致。*近E+H公司也推出了帶平面及拋物面天線的micropilot S系列雷達,聲稱也能達到1mm**度,主要用于儲罐油位測量。由于量程大,無可動部件,是非接觸測量,對原油、調(diào)青等粘度較大液體也能可靠測量。同時其測量**度確實也在不斷提高,價格也在下降。所以其在儲罐液位測量中的份額將會不斷增加。

　　(3)磁致伸縮液位計:美國MTS公司的磁致伸縮液位計也是能達到計量級精度的儀表,其**度可達0.05%FS或0.5mm(兩者取其大者)。儀表結(jié)構(gòu)類似于磁浮子被位計。一根硬管或柔性管從罐頂通到底部,帶磁鋼的浮子沿披導(dǎo)管隨液面上下移動。測量時,電流脈沖在磁浮子位置的導(dǎo)管內(nèi)的波導(dǎo)管上激發(fā)出一個應(yīng)力脈沖,沿波導(dǎo)管以聲速傳播到頂部電子盒中的測量部,被轉(zhuǎn)換成電脈沖。根據(jù)應(yīng)力脈沖的傳播時間可以測定出液面位置。如果有**個浮子,適當(dāng)選擇比重,使其浮在油一水界面上,則同時能測出油一水界面位置。還可以根據(jù)要求在導(dǎo)桿長度方向安置五個溫度傳感器，可以測量五個點的溫度。這對儲罐精密計量特別有利。只要一臺長量程數(shù)字型的磁致伸縮液位計(M-digtai),再加上一個精密壓力變送器、PC機以及適當(dāng)軟件，就能組成一套HIMS(混合型)儲罐計量系統(tǒng)。和用其他方法(伺服型)組成同類系統(tǒng)相比，成本低，安裝方便，工作可靠性高。

　　磁致伸縮液位計除了浮子是可動部件外，其他均是固態(tài)電子組件，可靠性高，平均無故障工作時間(MTBF)可達27年(美國太空總署測定)。其主要缺點是目前*長工作長度僅為18m(柔性纜式)。除MTS外，美國K-Tek公司也有同類產(chǎn)品，但沒有柔性纜式的。

　　另外，在加油站等臥式儲罐中的液位計量幾乎都是磁致伸縮測量油位、油水界面及五個溫度點，以數(shù)字方式與計算機或電子單元通訊。生產(chǎn)廠家較多，除MTS外，還有Veeder-Root、EMCO等公司，后兩者是專門做加油計量系統(tǒng)的。

　　二、我國的物位儀表工業(yè)及市場

　　八十年代中期以來,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和自動化程度的提高,對物位儀表的需要在品種上及數(shù)量上都急劇增加。這時國外的物位儀表廠商看好中國市場,并開始進入。為了提高自己的生產(chǎn)能力,我國開始引進技術(shù)。

　　這時期是我國石油以及石油化工工業(yè)得到較大發(fā)展的時期,對物位儀表產(chǎn)生較大需求,一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)抓住了這個機遇,發(fā)展了起來。

　　國外物位儀表公司與國內(nèi)有關(guān)廠合資,主要是想借中方幫助進入中國市場,中方則希望通過合作提高自己的制造能力及產(chǎn)品性能,以及有可能通過返銷進入國際市場。這幾年的發(fā)展也證明了合資廠比國內(nèi)企業(yè)更有生存能力。合資廠目前已開始組裝簡單的電子產(chǎn)品,如電容物位開關(guān)、音叉物位開關(guān)。較復(fù)雜的電子產(chǎn)品仍以代銷為主,真正在國內(nèi)生產(chǎn)的還是一些機械類產(chǎn)品,如磁浮子被位計及開關(guān)、阻旋開關(guān)等。這類產(chǎn)品機加工量大,國內(nèi)加工成本可降低很多,并有能力做好。

　　九十年代以后,國內(nèi)新建大型工程的自動化程度基本上與國際接軌,因此對超聲、雷達、電容式、磁致伸縮等先進的物位儀表需求量大增,而且對產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、**度等要求也更高。八十年代中的引進產(chǎn)品到九十年代末與國外同期產(chǎn)品相比已無先進性可吉,自行開發(fā)也難以在短期內(nèi)見效。故這段時間的市場情況是**產(chǎn)品基本上是由國外公司占領(lǐng),中端產(chǎn)品由合資廠或上海自儀五廠等用組裝方式來供貨。低端產(chǎn)品大多是機加工量很大的產(chǎn)品,國外產(chǎn)晶戚本很高,故基本上是國內(nèi)工廠供貨。在**產(chǎn)品市場上,國內(nèi)物位儀表行業(yè)并不是完全無所作為的。有一部分技術(shù)人員領(lǐng)銜組成的民營企業(yè),自己開發(fā)并生產(chǎn)較先進的物位儀表,有些已有較好效果。如瑞普阿司克儀表公司生產(chǎn)的超聲波物位計、航天智控工程公司生產(chǎn)的雷達物位計及磁致伸縮液位計、上海德中儀表公司生產(chǎn)的電容物位計、哈爾檳吳維科技公司生產(chǎn)的用于貯罐精密計量的磁致伸縮液位計等.這些產(chǎn)品目前在性能上還不能完全和國外產(chǎn)品抗衡,規(guī)模也較小,但在不斷提高中,而且價格低廉,故在市場中已有一席之地。

　　三、結(jié)語

　　我國物位儀表市場發(fā)展空間較大,但市場分割的基本格局短期內(nèi)不會有太大變化,一些****產(chǎn)晶近期主要還靠進口。由于國際上的大公司都已進軍中國,所以競爭也會更激烈,國外大公司合盡快建立自己的銷售網(wǎng)絡(luò),減少代理層次來使直接用戶以更低的價格得到*新的產(chǎn)品,并得到更好的售后服務(wù)。另外也會更多地在國內(nèi)組裝或生產(chǎn)部件以降低成本。國內(nèi)的企業(yè)除了少數(shù)如上海自儀股份、西儀股份等外,其余都會很快轉(zhuǎn)為民營、可以平等的政策條件競爭發(fā)展。相信將和國外儀表工業(yè)發(fā)展過程一樣，一批具有專業(yè)知識，又能在商海中學(xué)會經(jīng)營管理的人創(chuàng)辦的企業(yè)，*終能在競爭中勝出。他們的市場份額會逐步增加，產(chǎn)品的檔次也會逐漸提高，完全有可能發(fā)展成為我國物位儀表的骨干企業(yè)。