浅析非接触式雷达液位计由于测量介质引起的误差状况

本文前言
       液位测量是工业生产过程中极为重要的参数指标之一，时至今日，人们已经创造出了许多种对于液位的测量的方法，绝大部份的液位测量方法都需要测量仪表要与所测的液体介质直接接触，比如投入式液位变送器，浮球液位计，这种直接接触的测量方法有时在遇到超长量程，超高容器的时候就显得力不从心，无论是从安装还是维护方便，都相当的麻烦。针对于这种情况，人们又研制了出了不用于测量介质直接接触的液位测量仪表，当然这个要得益于科学技术的基础研究的突破。雷达波和超声波远距离探测技术在液位测量领域的使用，就是这一方面极好的补充。



       本文就是针对于雷达液位计在实践应用中的误差情况予以分析，以帮助用户能够更好的使用此类仪表。雷达液位计的优点很突出，就是耐磨损、耐老化性能高、测量分辨率高。是利用电磁波在被测物料面上的反射及其在空间的行程时间来测量物位的，其抗干扰性能好、耐高温高压、耐老化性能好、安装方便且精度高，所以应用越来越**。随着液位测量技术的发展，雷达液位计已逐渐成为主流的工业液位计之一，并**应用于电力领域，对该类仪表的误差分析，有助于研究目前雷达液位计在电厂设计中应用的合理性，并可指导电厂设计工作。


 

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1非接触式雷达液位计测量原理
　　雷达液位计周期性地向被测物料面发射电磁波脉冲，当接收到被测物料面上反射回来的回波后，测量两者时间差，即电磁波脉冲的行程时间，来计算物料面的距离，如图1所示，即：
　　
　　式中，h为液位；H为罐高；v为电磁波速度；t为电磁波脉冲从发射到接收到回波的行程时间。

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2非接触式雷达液位计的误差分析
　　由式（1）可以看出，液位h和罐高H是固定的，电磁波脉冲时间t主要取决于液位计本身的元器件质量和回波处理软件等，因此，引起雷达液位计误差的主要因素是电磁波在介质中的传播速度。
　　
2.1电磁波的传播速度
　　电磁波在真空中的传播速度由下式给出：式中，C0为电磁波在真空中的传播速度，ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率。
　　介电常数ε是介质的一个特性，它影响电荷相互作用力的大小，介电常数越大，两个电荷之间的作用力越小。真空中的介电常数ε0=8.854×10-12F/m。某种介质的介电常数对真空介电常数的比被称为相对介电常数εr，它是一个无量纲的参数，即：
　　
　　在应用电磁波来检测物位时，被测物料的相对介电常数是非常重要的，它会影响到电磁波的传播速度，对于相对介电常数低的被测物料，部分电磁波能量将穿入物料，剩下的部分能量将从料面上反射。当介电常数εr＜2时，非接触式雷达液位计将难以实现测量。
　　电磁波的磁感应强度矢量对电磁波的速度影响主要体现在磁导率μ，相对磁导率μr是介质内磁导率μ与真空磁导率μ0的比。就电磁波在非磁性气体和蒸汽中的传播速度而言，磁导率的影响微不足道，而与相对介电常数相比，它对电磁波的反射也没有实质的影响。对于在被测物料上方的非磁性气体，其相对磁导率μr=1。
　　由于不同介质的相对介电常数不同，因此电磁波在其内的传播速度也不一样，某一介质中的传播速度由下式给出：
　　
　　式中，C为电磁波在介质中的传播速度；C0为电磁波在真空中的传播速度；εr为相对介电常数；μr为相对磁导率。
　　
2.2误差分析
　　对于非接触式雷达液位计，气相介质的温度、压力、气体成分等参数变化会引起电磁波传播速度变化，因为传播介质的介电常数会变化，从而引起雷达液位计误差。气相介质的相对介电常数由下式给出：
　　
　　式中，εr为气相介质的相对介电常数；εrN为介质在标准状态下的相对介电常数；TN为标准状态下的温度，即273K；PN为标准状态下的压力，即100kPa；T为过程温度；P为过程压力。
　　式（5）中，一些常用气体在标准状态下的相对介电常数如表1所示。
　　将式（5）代入式（4）中，便得到在实际工况下，电磁波在气相介质中的传播速度为：
　　
　　
　　由式（5）和式（6），就可以根据实际的工况条件，即气相介质的温度、压力、气体成分等参数，计算出不同气相介质的相对介电常数和电磁波的传播速度，从而计算出雷达液位计在实际工况条件下的误差，同时可以单独分析过程温度和压力的变化引起的误差。

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3某电厂设计中非接触式雷达液位计误差分析
　　从某电厂设计文件的信息中可以看出，非接触式雷达液位计主要应用在罐体和地坑中，大部分仪表的测量精度要求为±2.5%。下面以其中某系统的水箱液位测量为例，就某电厂设计中的非接触式雷达液位计进行误差分析。
　　
3.1情况介绍
　　某系统的水箱液位测量选用非接触式雷达液位计，当液位降至低整定值时，打开补水阀门，当液位升至高整定值时，关闭补水阀门。仪表主要数据情况如表2所示。


　　根据电厂终选用仪表的相关资料，采用仪表的精度可以达到±2mm。
　　
3.2仪表误差分析
　　罐体的上部介质是氮气，由表1中数据可以查得，氮气在标准状态下的相对介电常数εrN为1.000576，过程**压力P为1134kPa，过程温度T为65.6℃，即338.6K，将以上数据代入式
　　（5）和式（6），得到仪表在实际工况下的相对介电常数和电磁波传播速度：
　　
　　由于仪表的量程为0～0.5m，则此时的误差可以达到：
　　
　　由以上计算分析可以得出，只要供货商能够保证仪表本身元器件和处理软件的质量，并保证仪表在现场正确安装，根据实际工况条件，仪表能够满足其给出的±2mm的精度保证，同时仪表选型也满足工艺要求的±2.5%精度。以上分析也证明了非接触式雷达液位计的精度确实比较高，适用于很多精度要求高的场合。

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4结语
　　本文介绍了非接触式雷达液位计的工作原理，并就介质的温度、压力和成分引起的非接触式雷达液位计误差进行了重点分析，后根据某电厂的应用实例对非接触式雷达液位计进行了误差分析，有助于研究目前雷达液位计在电厂中应用和选型的合理性。
　　本文的某电厂非接触式雷达液位计误差分析实例中，环境条件无泡沫、粉尘、液面波动、结晶等情况，因此仪表本身的工作环境条件很好，在其他雷达液位计应用场合，如果环境条件比较恶劣，或者安装罐体和地坑的结构复杂，再或者安装方式不当，都有可能对雷达液位计的精度产生影响，因此在后续分析中可以针对具体情况，在本文的分析方法基础之上，考虑其他因素的影响。

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