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雷达液位计的工作原理
雷达液位计的工作原理
发射—反射—接收是雷达液位计的基本工作原理。
  雷达传感器的天线以波束的形式发射电磁波信号，发射波在被测物料表面产生反射，反射回来的回波信号仍由天线接收。发射及反射波束中的每一点都采用超声采样的方法进行采集。信号经智能处理器处理后得出介质与探头之间的距离，送终端显示器进行显示、报警、操作等。微波测距示意图如图1所示。

        图中，E－空槽（罐）的高度；F—满槽（罐）的高度； D—探头至介质表面的距离；L—实际物位
雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间与探头到介质表面的距离D成正比，即：
                 Dv×t/2
    式中，t—脉冲从发射到接收的时间间隔
             v—波形传播速度
        因空槽距离E已知，故实际物位的距离L为：
                 L=E-D 
    式中，E的基准点是过程连接的底部

        在发射的时间间隔里，天线系统作为接收装置使用。仪表分析、处理运行时间小于十亿分之一秒的回波信号，并在极短的一瞬间分析处理回波。
雷达传感器利用特殊的时间间隔调整技术将每秒的回波信号进行放大、定位，然后进行分析处理。因此雷达传感器可以在0.1s内精确细致地分析处理这些被放大的回波信号，无须花费很多时间来分析频率。

雷达液位计的特点
    雷达液位计最大的特点是在恶劣条件下功效显著。无论是有毒介质，还是腐蚀性介质，也无论是固体、液体还是粉尘性、浆状介质，它都可以进行测量。在测量方面，具有以下特点：
1、连续准确地测量
FMR245 - 可用于温度高达200 °C (392 °F)的测量场合, 由于电磁波的特点，不受环境的影响。故其测量的应用场合比较广。雷达液位计的探头与介质表面无接触，属非接触测量，能够准确、快速地测量不同的介质。探头几乎不受温度、压力、气体等的影响（500℃时影响仅为0.018%，50bar时为0.8%）。
2、对干扰回波具有抑制功能
比如，波束范围内接头引起的干扰回波和进料或出料的噪声引起的干扰回波等可由内部的模糊逻辑控制自动进行抑制。
3、准确安全节省能源雷达液位计在真空、受压状态下都可进行测量，而且准确安全，可*性强。可以不受任何限制，适用于各种场合。雷达液位计采用材料的化学性、机械性都相当稳定，且材料可以循环利用，极具环保功效。
4、无须维修且可*性强
    微波几乎不受干扰，与测量介质不直接接触，几乎可以被应用于各种场合，如真空测量、液位测量或料位测量等。由于高级材料的使用，对情况极其复杂的化学、物理条件都很耐用，它可以提供准确可*、长期稳定的模拟量或数字量的物位信号。 
5、维护方便，操作简单
雷达液位计具有故障报警及自诊断功能。根据操作显示模块提示的错误代码分析故障，及时确定故障予以排除，使维护校正更加方便、准确，保障仪表的正常运行。
6、适用范围广，几乎可以测量所有介质
从槽罐体的形状来说，雷达液位计可以对球罐、卧罐、柱形罐、圆柱椎体罐等的液位进行测量；从罐体功能来说，可以对储罐、缓冲罐、微波管、旁通管中的液位进行测量；从被测介质来说，可以对液体、颗粒、料浆等进行测量。

雷达液位计的应用
1、安装注意事项（1）天线平行于测量槽壁，利于微波的传播。
（2）安装位置距槽壁距离应大于30cm，以免将槽壁上的虚假信号误做回波信号。
（3）尽量避开下料区、搅拌器等干扰源，使波束范围内无固定物，提高信号的可信度。
（4）接管直径应小于或等于屏蔽管长度（100mm或250mm）。
超声波液位计原理
最大测量范围
FMU40:液体: 5 m 固体: 2m
其他变送器测量范围:
· FMU41:
液体: 8m 固体: 3,5 m
· FMU42:
液体: 10 m 固体: 5 m
· FMU43:
液体: 15 m 固体: 7 m
· FMU44:
液体: 20 m 固体: 10 m
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
时间误差
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
超声波传播速度误差
超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。
已知超声波速度与温度的关系如下：

式中： r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，
R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，
T —绝对温度，273K+T℃。
近似公式为：C=C0+0.607×T℃
式中：C0为零度时的声波速度332m/s；
T为实际温度(℃)。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

外侧液位计工作原理
基本工作原理
外测液位仪（计）与当前国内外使用的在储罐或其连通器内部探测液位的仪表原理完全不同，它是利用对人体无害的微振动原理，在容器壁外侧液面以下部位连续测出液面的精确高度，而完全不接触容器内的液体和气体，可广泛应用于各种容器内液面和界面高度的连续精确测量。该技术建立了容器内液体和薄壳结构罐体的力学振动特性与液位对应关系的规律及数学模型，属世界首创。
当外测液位仪（计）的测量头检测到容器壁上的微小机械振动（它由液体振动特性和容器振动特性决定）后，外测液位仪（计）会把这些信息经过专用算法分析，判别、剔除与液位变化无关的虚假波形，提取出其液位特征量，从而计算出液面的高度。
主要特点
外测液位仪（计）是从容器外部连续、精确地测量罐内的液位，完全不接触罐内的液体和气体，实现了真正的隔离测量。因此具有下列无法比拟的特点：
1、可用于最苛刻的环境——可测量任何压力、毒性最剧烈、腐蚀性最强、绝对无菌的或极高纯度的液体。
2、安全——在测量有毒害、有腐蚀、有压力、易燃易爆、易挥发、易泄漏的液体时，由于测量头和仪表都在容器外，所以安装、维修、维护操作时不接触罐内的液体和气体，非常安全。即使在仪表损坏或维修状态下，也绝无引起泄漏的可能。
3、环保——真正的隔离测量，完全不与被测介质接触，决无泄漏液体甚至气体的可能，不会污染环境，是真正的绿色环保仪表。
4、方便经济——在线维护无需停产。由于不需在容器上开孔，不用法兰盘，不用连通管，所以安装、维护最方便、最经济。
5、耐用可靠——测量头和仪表内无机械运动部件，并严格密封，与外界隔离，不会磨损或腐蚀，十分耐用可靠，维护工作量很小。
6、精确——外测液位仪（计）不断地自动校准,永远保证最高的测量精度。

仪表的几大特点
自适应外测液位仪从罐外连续、精确地测量罐内的液位，完全不接触罐内的液体和实现了真正的隔离测量。自动进行校准，实现了“傻瓜”式地安装、使用。
安全
在测量有毒、有腐蚀、有压力、易燃易爆、易挥发、易泄漏的液体时，由于测量头和仪表都在容器外，所以安装、维修、维护操作时不接触罐内的液体和气体，非常安全。即使在仪表损坏或维修状态下，也绝无引起泄漏的可能。
(1)可用于多种苛刻环境。
(2)可测量任何压力的液体。
(3)可测量腐蚀性最强的液体。
(4)可测量剧毒的液体。
(5)可测量易燃、易爆、易泄漏、易污染液体。
仪表维护要注意的问题
(1)液位测量头是非常敏感的部分，对它的操作一定要小心，避免损坏。若无厂方指定维修人员在场，不要拆除已安装好的液位测量头。仪表不能稳定正常工作，通常都是由于液位测量头没有正确安装引起的。所以容器壁要安装测量头的位置一定要光滑平整。
(2)出现E-0、E-1代码，表示仪表自检未通过，重启。
(3)出现E-2代码表示参数设置出错，应重新设定参数。
(4)仪表开机后频繁自动复位，说明电路板或液位测量头损坏，应更换部件。
(5)仪表开机或复位后一直显示一个移动的小短杠，表示仪表未测量到液位信号或信号太弱，可能是容器外壁接触不好、电缆接触不好等。
音叉料位开关原理
音叉液位开关工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动。当音叉液位开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，音叉液位开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转换为一个开关信号。
E+H公司：Liquiphant M液体音叉限位开关可用于各种液体介质的限位测量
· 过程温度 -50 °C ... 150 °C
· 最大过程压力可达100 bar
· 最大介质粘度可达10000 mm2/s
· 介质密度0.5 g/cm3 或0.7 g/cm3 ，其他密度值可选
· 可进行泡沫界面的限位检测
测量不受介质流动、扰动，气泡，泡沫，振动，含固量或粘附的影响。
Liquiphant音叉限位开关是浮子开关的理想替代品。
FTL51:
带延长杆，延长杆的最大长度为3m(特殊要求时可选6 m长的延长杆)
采用强防腐性的哈氏C4 (2.4610)材料的叉体和过程连接，适用于强腐蚀性液体介质的测量
获得EEx ia, EEx de 和EEx d认证，可在爆炸危险区域中进行测量。

图表 1TM51
图表 2FTM50 采用 一体式结构设计，可以采取任意安装方向，灵活的设计使得其应用非常广泛，如，短叉体、抛光处理、不锈钢外壳(F15)和三夹头过程连接；带涂层的标准叉体、铝外壳(F17)和法兰连接；标准叉体、耐温达280 °C (540 °F)和铝外壳(F13)。
典型应用：谷粒，面粉，可可豆，糖，动物饲料，洗涤剂，染料粉，白垩，石膏，水泥，沙子，塑料颗粒，粉煤灰

适用
所有的液体介质，如具有爆炸性和非爆炸性危险的液体，腐蚀性液体（酸、碱）高粘度液体等。该音叉液位开关也适用于测量能自由流动的中等密度的固体粉末或颗粒。音叉液位开关不受泡沫、涡流、气体的影响。 典型应用对象◆自来水、矿适用
所有的液体介质，如具有爆炸性和非爆炸性危险的液体，腐蚀性液体（酸、碱）高粘度液体等。该音叉液位开关也适用于测量能自由流动的中等密度的固体粉末或颗粒。音叉液位开关不受泡沫、涡流、气体的影响。
典型应用对象
◆自来水、矿泉水
◆可产生气体的液体
◆纸浆、胶水、染料
◆啤酒、啤酒发酵剂、饮料
◆废水、泥浆、酸、碱溶液
◆流动性好的固体粉料、小颗粒
功能
音叉液位开关可测多种物位，具有高/低故障安全限位开关，溢流或空运转保护，泵控制，显示管道内有/无流动等功能。泉水
◆可产生气体的液体
◆纸浆、胶水、染料
◆啤酒、啤酒发酵剂、饮料
◆废水、泥浆、酸、碱溶液
◆流动性好的固体粉料、小颗粒
功能
音叉液位开关可测多种物位，具有高/低故障安全限位开关，溢流或空运转保护，泵控制，显示管道内有/无流动等功能。

哈特协议定义
HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
磁性液位计工作原理
液位计根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。当被测容器中的液位升降时，液位计主导管中的浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到现场指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时，翻柱由白色转为红色，当液位下降时，翻柱由红色转为白色，指示器的红、白界位处为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位的指示.
电磁流量计的基本原理
(一)测量原理
根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，则
e＝Blu (3－35)
与此相仿．在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线．如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极(图3—17)则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势：
e＝BD (3－36)
式中， 为管道截面上的平均流速．由此可得管道的体积流量为：
qv＝ ＝ （3－37）
由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关．这就是电磁流量计的测量原理．
需要说明的是，要使式（3—37）严格成立，必须使测量条件满足下列假定：
①磁场是均匀分布的恒定磁场；
②被测流体的流速轴对称分布；
③被测液体是非磁性的；
④被测液体的电导率均匀且各向同性。

图3－17 电磁流量计原理简图
1－磁极；2－电极；3－管道
涡街流量计
本文仅介绍涡街流量汁（以下简称VSF或流量计）。VSF是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。
二、工作原理与结构
1. 工作原理

在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式
f=SrU1/d=SrU/md（1）
式中U1--旋涡发生体两侧平均流速，m/s；
Sr--斯特劳哈尔数；
m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比

图1 卡曼涡街
管道内体积流量qv为
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr (2)
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 (3)
式中 K--流量计的仪表系数，脉冲数/m3（P/m3）。
K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图可见，在ReD=2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，VSF的流量计算式为

串级调节系统由两个单回路构成，主调节器的输出作为副调节器的给定