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摘 要：具体介绍了雷达物位计的特点、工作原理，探讨它在选型、安装及故障处理方面一些常见问题，并提出解决方法。对仪表人员的日常维护提供了可靠保障。
关键词：雷达物位计;工作原理;微波脉冲;问题处理
中图分类号：TH 816
1 前言
河南煤化集团中原大化公司6×104t/a三聚氰胺装置采用意大利欧技公司高压法生产工艺，原设计助滤剂贮槽内OAT助滤剂料浆液位由一台差压变送器测量控制，为防止料浆堵塞，在导压管内吹入干燥仪表空气，由于空气的可压缩性或上游转子流量计引起的故障，造成空气流量和压力难以精确控制，致使料浆液位无法准确测量，料位与稀释泵的联锁经常误动作，严重影响系统的稳定。为了解决此问题，2002年10月将差压变送器改型为新型智能化的德国E+H公司生产的FMR231型雷达物位计。通过实践，问题得到了解决。本文将通过我公司雷达物位计在生产中的成功应用，探讨它在选型、安装及故障处理方面一些常见问题，并提出解决方法。
2 雷达物位计简介
雷达物位计是一种非接触式的高精度物位仪表。它具有测量精确、效率高，无需维修、保养、耐磨损、安装简单等特点。它不受高温、高压或真空影响，不受介质温度变化及惰性气体的影响，不被粉尘或蒸汽衰减，特别适合高粘度、强腐蚀介质。
雷达物位计发射一种特殊的电磁波，它以光速传播，且传速不受温度、压力、蒸汽等介质特性的影响。它采用发射-反射-接收方式工作，发射率取决于被测介质的传导率和介电常数二特性。导电性物料如水、酸等有很好的发射率并且不考虑介电常数的值。对非导电性物料，反射率取决于介电常数的值，介电常数的值越大，雷达反射得越好。低介电常数的物料吸收雷达传感器发送的大部分微波，这样反射回到天线的能量就有损失。一般要求被测物料的介电常数大于4，精密型的可低至2。[1]
雷达式物位计主要由天线、发射和接收装置、信号处理器、操作面板、显示、报警等几部份组成。有一体型和分体型两种。雷达物位计是技术先进的智能型仪表，具有HART通讯协议，可通过计算机、手持通讯器进行组态，通过仪表测量和回波曲线来调参数、判断故障。
3 雷达式物位计的特点
（1）连续准确的测量
雷达式物位计不受温度、压力、气体的影响，与介质表面无接触，快速且精确地测量不同介质的物位。
（2）安全且节能
雷达式物位计不但可以在高温高压下进行测量而且极准确安全且节省能源，雷达式物位计的发射功率只有每平方厘米几个微瓦，因此可以不受任何限制将其应用于各种场合。在实际应用中，通过金属外壁就可将雷达信号完全屏蔽。雷达式物位计使用的材料化学性和机械性都相当稳定，而且材料可以再循环利用。
（3）无需维修且可靠性强
雷达波不受干扰，由于雷达式传感器的各部件均不能被拆开而且没有机械磨损，所以雷达式物位计可以被应用于各种场合。通过使用高级材料，雷达式物位计对于极复杂的化学和物理条件都很耐用，它可以提供准确可靠且长期稳定的模拟量或数字量物位信号。
（4）几乎可以测量所有介质
雷达信号是否可以被反射，取决于两个因素：被测介质的导电性，被测介质的介电常数。所有导电的介质都能很好地反射雷达信号，雷达传感器可以测量所有介电常数大于1.5的介质（空气的介电常数是1），尽管介质的导电性不是很好，也能被很准确地测量。
4 雷达物位计的基本工作原理和测量方式
4.1 工作原理
雷达物位计的基本原理是雷达波由天线发出，抵达液面后反射，被同一天线接收。雷达波往返的时间正比于天线到液面的距离，其运行时间与液位距离关系如图1所示。
图1 雷达物位计基本测量原理
L=H－d=H－ct/2
式中:c——电磁波传播速度，在真空中为3×108m/s；
d——被测介质与天线之间的距离，m；
t——天线发射与接收到发射波的时间差，s；
H——天线距罐底高度，m；
L——液位高度，m。
由式（1）可知，只要测得t即可计算得到L。[2]
其工作原理為：
（1）PUSH脉冲技术
这种技术就是由雷达头发射一个脉冲信号，并测量从发出到接收回波的时间。这种技术根本上是一种模拟技术。
（2） FMCW(Frequency Modulated Continue Wave)，调频连续波技术
这种技术不是测量时间。雷达头发射连续变化的频率信号，雷达信号被液体表面反射后，天线接收回波。由于信号频率在改变，回波与信号发射瞬间的频率不同，该频率差正比于自雷达头到液面的距离。FMCW技术就是测量这种频率差，这是一种数字技术。
(3)导波雷达
导波雷达物位计运用TDR原理（时域反射原理），TDR发生器产生一个沿导波杆向下传送的电磁脉冲波，当遇到比先前传导介质（空气或蒸发气）介电常数大的液体表面时，脉冲波会被反射。用超高速计时电路来计算脉冲波的传导时间，电磁脉冲波传输距离s=vt，从而达到精确液位测量。
4.2 测量方式
目前主要有两种不同的时间测量方式。一种是微波脉冲（PTOF）测量方法；一种是连续波线性调频测量法（FM-CW）。
（1）微波脉冲测量
雷达发射脉冲信号，信号从发射到接收的运行时间与雷达传感器到介质表面的距离及物位成比例。
大多数雷达物位计采用这个原理，采用的频率为5.8～6.3GHz。价格较低、精度一般。雷达的发射角较大，在测量中除液面回波外，还会产生其它干扰回波，难以确认液面回波。抗干扰能力较差，在测固态物料时更会产生各种干扰，因此采用此原理的液位计大多不能用于测固态液位。
（2）连续波线性调频测量
雷达对物料表面发射连续的变频波，天线接收回波信号。因为频率是不断变化的，因此发射和接收的信号频率不同，频率差值与到物料表面的距离成正比。 此原理采用更高的频率，发射角更小，能量更集中，不但测量更远距离，信噪比高，而且可测低介电常数的介质。内置先进的回波处理软件，抗干扰能力更强，可测某些固态物料物位，甚至可测粉状水泥物位。采用此原理的雷达物位计精度更高，性能更优越，但价格比较昂贵。
5 雷达物位计的选型
雷达物位计若选型不合理，干扰回波得不到很好处理，仪表可靠性将会减低。雷达物位计在选型时应考虑如下几个因素：
（1）被测介质的导电性、介电常数
被测介质为导电液体或介电常数在4以上的液体，一般选普通型雷达。介电常数小的液体（介电常数在2以下）和某些导电性固体，因干扰回波多，多采用精密型的雷达或导波式雷达。
（2）应用条件
应用条件一般有平静液面、轻微波动表面、湍流表面、带搅拌、有泡沫等几种情况。条件越复杂，干扰回波越多，所测的实际量程越小。复杂环境应选处理干扰回波能力强的精密型雷达或选尺寸大一些的天线。
（3）测量精度
普通型雷达精度一般为±10mm,精密型精度达±3mm。根据生产实际需要选型。
(4) 量程
根据实际需要选型，选天线尺寸。注意复杂环境下，实际量程有所减少。
(5) 天线类型和天线尺寸
天线尺寸越大，所测量程越大，抗干扰能力越强。雷达物位计的天线类型有杆式、喇叭口式、抛物面等。
① 杆式天线：一般用在强腐蚀的环境中，抗干扰能力弱一些，量程小。
② 喇叭口天线：抗干扰能力强一些，适合较复杂的环境。喇叭口越大，能量越集中，所测量程更大。
③ 抛物面天线：聚焦效果比喇叭口更强，抗干扰能力最强，量程最大。
(6) 电源及输出信号
电源有220V AC﹑24V DC,根据需要选用采用两线制或四线制。
输出信号为4～20mA DC或数字信号，根据所需选合适的型号。
6 雷达物位计的安装
雷达物位计的安装位置是否合适对测量有很大的影响。若安装位置不合理，将引起干扰回波，使仪表测量不稳定或测量不准确。这种情况需要重新定位，选一最佳位置，使雷达回波质量优化，减少干扰回波。
雷达物位计安装要求：
(1) 雷达物位计要垂直于物料表面安装。使雷达波尽可能反射回去，减少能量损失。
(2) 仪表安装位置离罐壁距离至少30cm，防止罐壁上所装仪表如温度元件﹑料位开关等在雷达束内，引起干扰回波。
(3) 物位计不要装在进料口上方。
(4) 仪表不要装在搅拌器上方，使雷达束内无障碍物，去除干绕源。在实际应用中，一些内装搅拌器的小型罐，无法达到此要求，可选处理干扰回波能力强的精密型雷达物位计，把干扰回波寄存，使雷达准确识别表面回波。
(5) 雷达物位计的天线要伸入罐壁内（喇叭口天线要伸出10mm以上；杆式天线要伸出200mm以上）。
(6) 拱形顶罐或卧罐不要把仪表装在罐的中心位置，使回波易丢失。[1]
7 应用中常见的问题及处理方法
雷达物位计是一种免维护仪表，可长期可靠运行。实际应用中，常见的故障多是有干扰回波引起。
常见故障及处理方法如下：
（1）仪表无指示
处理方法：查电源，查通讯电缆是否正常。
（2）仪表有故障代码
处理方法：清除故障代码。若清除不了，参照故障代码列表，进行相应处理或与厂商联系。
（3）仪表指示不稳定﹑不正确或无回波
多数由干扰回波引起。干扰回波处理除选功能强一些的雷达物位计或导波雷达﹑选最佳安装位置﹑选合适的天线类型和稍大的尺寸外，还可选带处理干扰回波功能强的多回波处理软件的仪表。具体处理方法有虚假回波抑制﹑虚假回波寄存。以前的回波分析处理系统是人为地压缩虚假回波，现通过ECHOFOXER回波处理软件和模糊逻辑分析所有回波，通过经验参数和应用条件来确定回波的反射概率，从而确定回波是否有效。通过技術先进的MET多回波跟踪软件，进一步处理罐内障碍物引起的干扰，使干扰回波与实际表面回波分离开。
(a)选型不合理
对介电常数小的被测介质或应用于复杂的环境，尽可能选处理干扰回波功能强的仪表系列式加导波管，尽可能选喇叭口型天线，尺寸尽可能大一些。
(b)安装位置不当
处理方法：按要求选一最佳位置。
(c)参数设置不合理
处理方法：对仪表复位，重新设定参数。雷达在投用前，基本参数必须正确设置。如空槽﹑满槽设置是否正确，应用条件是否符合实际情况。其他一些参数如时间常数，在物位变化太快使测量值不稳定时，可适当增大时间常数值。
(d)天线污染
处理方法：定期清理天线。尽可能避免物位溢出，这样会使喇叭口天线上挂料，减低雷达灵敏度。
(e)仪表显示无效回波
处理方法：启动表面回波搜索功能，对回波重新搜索。
(f)对固定障碍物引起干扰的处理
处理方法：进行虚假回波抑制或虚假回波寄存，对物位以上，已测得的虚假回波，在确认是假回波后，自动寄存到虚假回波列表中。对物位以下，将会引起的假回波，也可手动寄存到虚假回波列表中。
8 结束语
综上所述，雷达物位计只要合理选型﹑正确安装，它就能在生产中发挥其卓越的性能。随着雷达物位计价格的下滑，雷达技术在高温、耐压等方面技术的日臻完善，雷达物位计将会得到更广泛的应用。同时作者希望通过本文的讨论能够为读者提供在雷达物位计的故障处理和日常维护方面一定的借鉴意义。
参考文献
1 《仪表工试题集》 王森 ，化学工业出版社，2002年 125～127页；
2 《智能型微波物位仪（雷达）》操作指南 ，2006年 2、70页；
关键词：雷达物位计;工作原理;微波脉冲;问题处理
中图分类号：TH 816
1 前言
河南煤化集团中原大化公司6×104t/a三聚氰胺装置采用意大利欧技公司高压法生产工艺，原设计助滤剂贮槽内OAT助滤剂料浆液位由一台差压变送器测量控制，为防止料浆堵塞，在导压管内吹入干燥仪表空气，由于空气的可压缩性或上游转子流量计引起的故障，造成空气流量和压力难以精确控制，致使料浆液位无法准确测量，料位与稀释泵的联锁经常误动作，严重影响系统的稳定。为了解决此问题，2002年10月将差压变送器改型为新型智能化的德国E+H公司生产的FMR231型雷达物位计。通过实践，问题得到了解决。本文将通过我公司雷达物位计在生产中的成功应用，探讨它在选型、安装及故障处理方面一些常见问题，并提出解决方法。
2 雷达物位计简介
雷达物位计是一种非接触式的高精度物位仪表。它具有测量精确、效率高，无需维修、保养、耐磨损、安装简单等特点。它不受高温、高压或真空影响，不受介质温度变化及惰性气体的影响，不被粉尘或蒸汽衰减，特别适合高粘度、强腐蚀介质。
雷达物位计发射一种特殊的电磁波，它以光速传播，且传速不受温度、压力、蒸汽等介质特性的影响。它采用发射-反射-接收方式工作，发射率取决于被测介质的传导率和介电常数二特性。导电性物料如水、酸等有很好的发射率并且不考虑介电常数的值。对非导电性物料，反射率取决于介电常数的值，介电常数的值越大，雷达反射得越好。低介电常数的物料吸收雷达传感器发送的大部分微波，这样反射回到天线的能量就有损失。一般要求被测物料的介电常数大于4，精密型的可低至2。[1]
雷达式物位计主要由天线、发射和接收装置、信号处理器、操作面板、显示、报警等几部份组成。有一体型和分体型两种。雷达物位计是技术先进的智能型仪表，具有HART通讯协议，可通过计算机、手持通讯器进行组态，通过仪表测量和回波曲线来调参数、判断故障。
3 雷达式物位计的特点
（1）连续准确的测量
雷达式物位计不受温度、压力、气体的影响，与介质表面无接触，快速且精确地测量不同介质的物位。
（2）安全且节能
雷达式物位计不但可以在高温高压下进行测量而且极准确安全且节省能源，雷达式物位计的发射功率只有每平方厘米几个微瓦，因此可以不受任何限制将其应用于各种场合。在实际应用中，通过金属外壁就可将雷达信号完全屏蔽。雷达式物位计使用的材料化学性和机械性都相当稳定，而且材料可以再循环利用。
（3）无需维修且可靠性强
雷达波不受干扰，由于雷达式传感器的各部件均不能被拆开而且没有机械磨损，所以雷达式物位计可以被应用于各种场合。通过使用高级材料，雷达式物位计对于极复杂的化学和物理条件都很耐用，它可以提供准确可靠且长期稳定的模拟量或数字量物位信号。
（4）几乎可以测量所有介质
雷达信号是否可以被反射，取决于两个因素：被测介质的导电性，被测介质的介电常数。所有导电的介质都能很好地反射雷达信号，雷达传感器可以测量所有介电常数大于1.5的介质（空气的介电常数是1），尽管介质的导电性不是很好，也能被很准确地测量。
4 雷达物位计的基本工作原理和测量方式
4.1 工作原理
雷达物位计的基本原理是雷达波由天线发出，抵达液面后反射，被同一天线接收。雷达波往返的时间正比于天线到液面的距离，其运行时间与液位距离关系如图1所示。
图1 雷达物位计基本测量原理
L=H－d=H－ct/2
式中:c——电磁波传播速度，在真空中为3×108m/s；
d——被测介质与天线之间的距离，m；
t——天线发射与接收到发射波的时间差，s；
H——天线距罐底高度，m；
L——液位高度，m。
由式（1）可知，只要测得t即可计算得到L。[2]
其工作原理為：
（1）PUSH脉冲技术
这种技术就是由雷达头发射一个脉冲信号，并测量从发出到接收回波的时间。这种技术根本上是一种模拟技术。
（2） FMCW(Frequency Modulated Continue Wave)，调频连续波技术
这种技术不是测量时间。雷达头发射连续变化的频率信号，雷达信号被液体表面反射后，天线接收回波。由于信号频率在改变，回波与信号发射瞬间的频率不同，该频率差正比于自雷达头到液面的距离。FMCW技术就是测量这种频率差，这是一种数字技术。
(3)导波雷达
导波雷达物位计运用TDR原理（时域反射原理），TDR发生器产生一个沿导波杆向下传送的电磁脉冲波，当遇到比先前传导介质（空气或蒸发气）介电常数大的液体表面时，脉冲波会被反射。用超高速计时电路来计算脉冲波的传导时间，电磁脉冲波传输距离s=vt，从而达到精确液位测量。
4.2 测量方式
目前主要有两种不同的时间测量方式。一种是微波脉冲（PTOF）测量方法；一种是连续波线性调频测量法（FM-CW）。
（1）微波脉冲测量
雷达发射脉冲信号，信号从发射到接收的运行时间与雷达传感器到介质表面的距离及物位成比例。
大多数雷达物位计采用这个原理，采用的频率为5.8～6.3GHz。价格较低、精度一般。雷达的发射角较大，在测量中除液面回波外，还会产生其它干扰回波，难以确认液面回波。抗干扰能力较差，在测固态物料时更会产生各种干扰，因此采用此原理的液位计大多不能用于测固态液位。
（2）连续波线性调频测量
雷达对物料表面发射连续的变频波，天线接收回波信号。因为频率是不断变化的，因此发射和接收的信号频率不同，频率差值与到物料表面的距离成正比。 此原理采用更高的频率，发射角更小，能量更集中，不但测量更远距离，信噪比高，而且可测低介电常数的介质。内置先进的回波处理软件，抗干扰能力更强，可测某些固态物料物位，甚至可测粉状水泥物位。采用此原理的雷达物位计精度更高，性能更优越，但价格比较昂贵。
5 雷达物位计的选型
雷达物位计若选型不合理，干扰回波得不到很好处理，仪表可靠性将会减低。雷达物位计在选型时应考虑如下几个因素：
（1）被测介质的导电性、介电常数
被测介质为导电液体或介电常数在4以上的液体，一般选普通型雷达。介电常数小的液体（介电常数在2以下）和某些导电性固体，因干扰回波多，多采用精密型的雷达或导波式雷达。
（2）应用条件
应用条件一般有平静液面、轻微波动表面、湍流表面、带搅拌、有泡沫等几种情况。条件越复杂，干扰回波越多，所测的实际量程越小。复杂环境应选处理干扰回波能力强的精密型雷达或选尺寸大一些的天线。
（3）测量精度
普通型雷达精度一般为±10mm,精密型精度达±3mm。根据生产实际需要选型。
(4) 量程
根据实际需要选型，选天线尺寸。注意复杂环境下，实际量程有所减少。
(5) 天线类型和天线尺寸
天线尺寸越大，所测量程越大，抗干扰能力越强。雷达物位计的天线类型有杆式、喇叭口式、抛物面等。
① 杆式天线：一般用在强腐蚀的环境中，抗干扰能力弱一些，量程小。
② 喇叭口天线：抗干扰能力强一些，适合较复杂的环境。喇叭口越大，能量越集中，所测量程更大。
③ 抛物面天线：聚焦效果比喇叭口更强，抗干扰能力最强，量程最大。
(6) 电源及输出信号
电源有220V AC﹑24V DC,根据需要选用采用两线制或四线制。
输出信号为4～20mA DC或数字信号，根据所需选合适的型号。
6 雷达物位计的安装
雷达物位计的安装位置是否合适对测量有很大的影响。若安装位置不合理，将引起干扰回波，使仪表测量不稳定或测量不准确。这种情况需要重新定位，选一最佳位置，使雷达回波质量优化，减少干扰回波。
雷达物位计安装要求：
(1) 雷达物位计要垂直于物料表面安装。使雷达波尽可能反射回去，减少能量损失。
(2) 仪表安装位置离罐壁距离至少30cm，防止罐壁上所装仪表如温度元件﹑料位开关等在雷达束内，引起干扰回波。
(3) 物位计不要装在进料口上方。
(4) 仪表不要装在搅拌器上方，使雷达束内无障碍物，去除干绕源。在实际应用中，一些内装搅拌器的小型罐，无法达到此要求，可选处理干扰回波能力强的精密型雷达物位计，把干扰回波寄存，使雷达准确识别表面回波。
(5) 雷达物位计的天线要伸入罐壁内（喇叭口天线要伸出10mm以上；杆式天线要伸出200mm以上）。
(6) 拱形顶罐或卧罐不要把仪表装在罐的中心位置，使回波易丢失。[1]
7 应用中常见的问题及处理方法
雷达物位计是一种免维护仪表，可长期可靠运行。实际应用中，常见的故障多是有干扰回波引起。
常见故障及处理方法如下：
（1）仪表无指示
处理方法：查电源，查通讯电缆是否正常。
（2）仪表有故障代码
处理方法：清除故障代码。若清除不了，参照故障代码列表，进行相应处理或与厂商联系。
（3）仪表指示不稳定﹑不正确或无回波
多数由干扰回波引起。干扰回波处理除选功能强一些的雷达物位计或导波雷达﹑选最佳安装位置﹑选合适的天线类型和稍大的尺寸外，还可选带处理干扰回波功能强的多回波处理软件的仪表。具体处理方法有虚假回波抑制﹑虚假回波寄存。以前的回波分析处理系统是人为地压缩虚假回波，现通过ECHOFOXER回波处理软件和模糊逻辑分析所有回波，通过经验参数和应用条件来确定回波的反射概率，从而确定回波是否有效。通过技術先进的MET多回波跟踪软件，进一步处理罐内障碍物引起的干扰，使干扰回波与实际表面回波分离开。
(a)选型不合理
对介电常数小的被测介质或应用于复杂的环境，尽可能选处理干扰回波功能强的仪表系列式加导波管，尽可能选喇叭口型天线，尺寸尽可能大一些。
(b)安装位置不当
处理方法：按要求选一最佳位置。
(c)参数设置不合理
处理方法：对仪表复位，重新设定参数。雷达在投用前，基本参数必须正确设置。如空槽﹑满槽设置是否正确，应用条件是否符合实际情况。其他一些参数如时间常数，在物位变化太快使测量值不稳定时，可适当增大时间常数值。
(d)天线污染
处理方法：定期清理天线。尽可能避免物位溢出，这样会使喇叭口天线上挂料，减低雷达灵敏度。
(e)仪表显示无效回波
处理方法：启动表面回波搜索功能，对回波重新搜索。
(f)对固定障碍物引起干扰的处理
处理方法：进行虚假回波抑制或虚假回波寄存，对物位以上，已测得的虚假回波，在确认是假回波后，自动寄存到虚假回波列表中。对物位以下，将会引起的假回波，也可手动寄存到虚假回波列表中。
8 结束语
综上所述，雷达物位计只要合理选型﹑正确安装，它就能在生产中发挥其卓越的性能。随着雷达物位计价格的下滑，雷达技术在高温、耐压等方面技术的日臻完善，雷达物位计将会得到更广泛的应用。同时作者希望通过本文的讨论能够为读者提供在雷达物位计的故障处理和日常维护方面一定的借鉴意义。
参考文献
1 《仪表工试题集》 王森 ，化学工业出版社，2002年 125～127页；
2 《智能型微波物位仪（雷达）》操作指南 ，2006年 2、70页；