雷达（微波）物位计自２０世纪７０年代出现以来，性价比与日俱增，如今已占物位测量领域市场份额的２５％，仅次于压力（差压）式物位计。雷达物位计基于有源雷达的回波测距原理，即雷达波（通常采用微波段）在传播途中介质的介电常数或几何形状改变时发生反射。根据雷达波处理方式的不同，雷达物位计分为调频连续波型ＦＭＣＷ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｅ　ｗａｖｅ）和脉冲（ｐｕｌｓｅ）型，前者的处理对象为发射与接收信号的频率差，后者为时间差。一般而言，采用调频连续波技术，电子线路复杂，功耗大，大多采用四线制，但信号强、抗干扰能力强、测量稳定、精确度高，多用于储罐计量；采用脉冲波技术，功耗低，一般用二线制２４Ｖ（ＤＣ）测量回路供电，容易实现本质安全，处理算法成熟丰富，适用范围广，更适合于工况复杂多变的过程测量。但近年来随着测量技术的进步，两者在测量和使用效果上的差异越来越小，精度都可以达到±１ｍｍ以内，都有高速跟踪液位的表现。另外，还有将两者结合起来的调频脉冲波型雷达，其脉冲波的载波是连续调频的。

 

１　雷达物位计设计选型

１．１　雷达物位计综述

根据雷达波传播方式的不同雷达物位计可分为介质接触式与非接触式。前者雷达波在导波材料限定的空间内传播，后者在自由空间里传播。安装在自由空间里的非接触雷达，其微波信号以天线中心为轴线发射，并沿着此轴线在１个限定的锥形束角内（即半功率波束宽度，又称波束角、辐射角、散射角，有时波束角外的能量也不容忽视）推进传播，传播沿程信号以“反比于距离二次方”的速度迅速衰减。因此，测量的关键是接收到足够能量的反射回波，并识别出有效回波。接收的回波能量ｋ可用简化的雷达方程表示如下：

式中：Ｐτ———天线辐射功率；Ｃ———经验系数；Ｇｉ———由目标表面介电特性及面积决定的反射增益，Ｇｔ，

Ｇｒ———天线发射和接收效率；Ｒ———天线与目标间的距离。

 

上述参数是设计、应用雷达物位计必须考虑的重要因数。表１列出了反射回波能量的衰减与雷达物位计４参数的关系。

一般来说，雷达波在自由空间传播的非接触雷达物位计所接收到的返回信号能量远小于它所发出能量的０．１％。采用波导体可以约束雷达波的传播空间，减少散射，大幅提高反射回波的质量，使得返回信号中的干扰性杂散信号极小，简化回波的分辨处理，从而发射功率也可以更低，故导波雷达一般都采用脉冲式工作原理。

 

１．２　介质接触与非接触的使用方式

接触与非接触的分类依据是雷达波传播方式的不同，介质接触即为导波，如果有必要且能够使用介质接触式测量方法，接触式为首选。波导体可以是仪表自带的探杆，也可以是现场制作的金属管。介质接触应用方式包括导波雷达（ｇｕｉｄｅｄ　ｗａｖｅｄｒａｄａｒ），稳液井（ｓｔｉｌｌｉｎｇ　ｗｅｌｌ）和旁通管（ｂｙｐａｓｓ　ｐｉｐｅｏｒ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｏｒ　ｓｉｄｅ　ｖｅｓｓｅｌ）里安装的非接触雷达（ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ　ｏｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｉｒ　ｒａｄａｒ　ｏｒｆｒｅｅ－ｒａｄｉａｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ）或导波雷达；导波雷达探头形式有同轴、刚性杆、柔性缆，导波雷达的同轴式探头从本质上来说是小口径稳液井中心加了１根刚性探杆。与稳液井或旁通管里安装非接触雷达相比较，导波雷达是一种简单的解决方案，两者目标一致。

 

１．２．１　适宜介质接触的工况

１）非导电介质（１．２≤εｒ≤２．０，εｒ为相对介电常数，以下简称介电常数）。考虑现场工况时，应特别注意两点：天线到被测介质间气相介电常数的分布；被测介质表面状态及其介电常数。雷达波在界面的反射率与两介质的介电性差别密切相关，有时，传输介质的导电导磁性引发的微波传播速度变化不容忽视。大部分物质介电常数大于１．４，空气或真空的介电常数为１．０，雷达波由真空或空气射向介电常数为εｒ的物料时，表面反射度Ｒ＝****************************介电常数在１．０附近的介质反射率（即反射度）低，此时，非接触式雷达往往接收不到足够强度的界面反射回波。对于介电常数特别小的液化气体，优先使用非接触式雷达并安装在稳液井上，好于旁通管安装，后者存在入口管线干扰，如有可能考虑在旁通管内安装稳液井（管套管）；杆式探头导波雷达安装在直径不超过１５０ｍｍ的稳液井或旁通管里，会获得等同于同轴探头导波雷达的zui佳效果。非接触雷达采用间接测量技术，如罐底跟踪模式，利用物位变化时罐底回波行程的改变甚至可以测量介电常数低至１．０５的物料，类似的技术也用在导波雷达上。

 

２）物料气相阻碍或吸收雷达波。气相中存在使雷达波衰减的物质，如含高介电性的粉尘粉末（石墨，铁合金等），测量距离和效果会受影响。某些物质因自身或与空气中其他成分发生化学反应而电离成离子，从而使其气相具有微波吸收性，其气液两相介电常数的差别也因此减小，这样会削弱界面回波。如液氨的介电常数常温下（２５℃）为１４．９，不属于非导电介质，仍应采用稳液井上的低频非接触雷达或导波雷达物位计。固体物料堆积往往有一定的安息角，此时应考虑导波雷达。特别是粉状物料，表面疏松以及介电常数很低的塑料粒子，微波反射相当困难，且气相中严重的粉尘会在一定程度上反射回波。

 

３）安装环境复杂。容器内设备的反射会带来较大干扰，有以下几种情况：内障碍物较多，比如在非接触雷达的波束角内有液位开关或温度传感器；内有相对于雷达天线即测量参考点对称的装置，如加热盘管、隔板等；球罐和卧罐、水平圆柱形和球形储罐的罐壁及罐底会带来较大的反射干扰，可能存在因容器形状而导致多重回波所产生的干扰影响。特别是容器内障碍物太多或导波雷达的探头与障碍物太近时，应使用抗干扰能力强的同轴探头。浮顶罐一般采用稳液井，高精度测量时还要考虑介质气化对微波传输速度的影响。

 

４）液面湍动及液面有泡沫。液面湍动有可能引起多径反射，要避免安装在有很强涡流的地方，如搅拌或很强的化学反应处。表面的泡沫可能会吸收或反射雷达波，视泡沫的导电性而定：对于干泡沫，微波信号可以穿过，直接到达液体表面；中性泡沫可能吸收或散射微波，难以预判；湿泡沫表面会反射微波信号；当介质表面为稠而厚的泡沫时，测量误差较大或无法测量。相比而言，低频雷达穿

透泡沫的能力比高频强。

 

采用四线制、大尺寸特殊设计天线、高频、连续调频波的非接触雷达物位计能发射接收到更强的信号，并采用功能强大的微处理器进行复杂的信号处理，可以在很大程度上应对上述四种工况，应用非接触雷达物位测量方法同样可测介电常数低至１．２的物料的液面，发挥其优势；另外，先进的干扰回波锁定及干扰抑制技术也可以很大程度上克服干扰。但是，相比接触式测量方式，其价格昂贵。

 

５）界位测量。导波雷达的低频波穿透性强，无发散角，回波更强，使其不仅适合测量气液（气固）两相的界面，还可以测量介电常数相差大的上

层非导电与下层导电液体的界位。典型应用是油水界位测量，但需注意介电常数对雷达波速度的影响，上层物料的介电常数必须精确输入雷达，液界位已知时则可反算介电常数。

 

 

１．２．２　不宜接触介质的情况

使用介质接触测量方法就意味着放弃了非介质接触式测量的优点，以下情况应使用非接触测量方法：

１）高黏度、严重沉积和结晶的介质。污染物或沉积物容易积聚在探头或稳液井内壁上。薄的、均匀的积聚物对测量有轻微的影响；厚的积聚物会造成信号衰减并减小测量范围；厚重、不均匀的粘附物形成结疤处有可能被错误地评定为界位，导致不正确的测量。相对来说，同轴探头与双探头抗干扰的能力zui强，也zui容易受挂料的影响。该种情况下，应采用非接触式测量方法。注意此时一般有加热盘管、搅拌叶片、搅拌产生的泡沫漩涡、湍动液面、物料挥发、蒸汽等不利测量的因素存在，这些都是非接触雷达选型安装时要着重考虑的。

 

２）探头容易损伤的场合。容器内安装搅拌器，有时搅拌器会对探头产生较大机械负载的场合，横向切应力可能会折断探头，需要机械支架或者安装应用稳液井和旁通，确认是否采用非接触式测量仪表更合适；另外，具有强研磨作用的固体块料，如铁氧体，会磨损导波雷达的探头，降低探头的张力负载，也容易损伤探头。

 

１．３　非接触雷达的高频与低频

频率影响决定不了精度，精度受雷达信号发射接收方式及回波处理算法的影响。

 

１．３．１　高频的优势

高频雷达物位计具有能量集中的特点，应用小尺寸的天线就能获得小波束角和大的天线增益。天线有“孔径”和汇聚效应，以普通锥形天线为例，天线尺寸（圆锥天线直径Ｄ）和频率也决定了散射（波束）角的大小，波长λ越短，波束角越小，增益越大，能量更强更集中，量程更大。如５．８ＧＨｚ雷达天线尺寸为１５０，２００，２５０ｍｍ时，散射角约为２３°，１９°，１５°；２６ＧＨｚ雷达天线尺寸为４０，５０，８０，１００ｍｍ时，散射角约为２３°，１８°，１０°，８°。故高频雷达物位计适合形状狭高的储罐，能避开复杂结构罐中的干扰。

 

测量散料时，回波主要来自粗糙料面的漫反射，漫反射的强度与物料大小成正比，与波长成反比，当反射面的线度与波长相当或更大时，才能发生反射。显然，工作频率越高，其波长越小，对于颗粒较小的物料，更易于发生漫反射，而大部分散料的直径远小于５０ｍｍ，故高频雷达是散装料物位测量的zui佳选择，较小的波长可以zui大程度保证发射出去的雷达波能够在粗糙的固体表面反射回雷达探头。

 

１．３．２　低频的特点

高频波穿透介质时，表现更强的散射性，测量空间有粉尘或蒸汽时，散射损失的能量较多，气体的谐振会对某些频率的微波产生选择性的吸收和散射，空气中的氧和水蒸气在Ｋ波段存在显著的吸收波峰，故高频并不总是zui佳选择。

 

低频雷达抗天线挂料和冷凝物的能力强，它较大的波束角和较长的波长使之在液面湍动的情况下能提供zui好的回波。低频雷达穿透泡沫的能力也强于高频，受沸腾表面影响小，表面沸腾、冒泡、趋于生成泡沫时，低频更合适。

 

１．４　非接触雷达的天线

天线是雷达物位计的关键部件，天线的材质、形状和尺寸决定雷达波的聚焦和灵敏度。

１）圆锥天线与管状天线。圆锥与管状天线采用不锈钢、哈氏合金或钽等材质，具有聚焦特性优异、物理及化学特性稳定、耐用牢固等优点，适用于绝大多数场合。两种天线形状近似，同口径的管状天线更长，聚焦性更强，有些管状天线是专门为管内安装设计的，套管及近管壁适应性更好。圆锥天线整体包覆ＰＴＦＥ、陶瓷或其他耐腐蚀绝缘材料，做成密封天线，会显著提高其化学稳定性、抗凝水及抗粘附能力，尤其适用于尺寸小的高频天线。一体化垫片法兰天线，即所谓法兰下置型天线就属于这一类，其圆锥内藏，本质是放置在一块高分子绝缘材料板后面的喇叭口天线，板一般呈倒三角锥形，由于微波可穿透，又称为“窗”，主要用于强腐蚀性或卫生程度要求很高介质的液位测量。

 

２）绝缘杆天线。绝缘杆天线又称杆式天线、

卫生型天线，一般由ＰＰＳ，ＰＴＦＥ，Ｔｅｆｌｏｎ等化学高分子材料制成，化学特性稳定，特别适用于强腐蚀性介质或卫生程度要求很高的场合。其冷凝物自流除，易清洗；冷凝水积聚及介质粘附的敏感程度要小于喇叭口天线，这是因为杆式天线有效发射雷达波的面积要远大于喇叭天线（后者馈源只有笔尖大小）；其天线的安装接管尺寸小，特别是带有金属屏蔽管的天线可适应更细的安装接管，可在小管径及有冷凝和粘附的安装短管内进行可靠测量，多用于Ｃ，Ｘ波段雷达，一般发射波束角大，信噪比小，常用于测量条件较好的卫生型、腐蚀性介质的测量。相比其他种类天线，绝缘杆天线抗荷能力差，受力会有变形或折断的危险。

 

３）水滴（球）型天线。水滴型天线采用水滴形宽带振子作为馈源，尤其适合连续调频波雷达。材质为ＰＰ或ＰＴＦＥ等化学高分子材料，椭圆形的结构，表面光滑，不易挂料，容易自清洁。在与锥形天线尺寸同等的情况下，水滴型天线的波束角更小，Ｋ波段天线尺寸为８０，１５０ｍｍ时，散射角分别为８°，４°，但机械强度弱于锥形天线。

 

４）抛物面天线。抛物面反射器与焦点处的馈源两部分组成短背射抛物面天线，波束角可以做到４°或更小，能量集中，干扰回波少，量程更大，适用于测量低介电常数的料面，可用于狭长储罐。其天线尺寸同样在Ｃ，Ｘ，Ｋ三波段依次减小，如５．８ＧＨｚ时，尺寸为４５０ｍｍ的天线可获得７°的波束角；２６ＧＨｚ时，尺寸为２００ｍｍ天线可获得４°的波束角。大尺寸抛物面天线的低频雷达物位计在严重结垢结焦、挂料、蒸汽、冷凝的场合中应用有良好效果对污染zui不敏感，几乎完全免维护，但拆装不便。

 

５）平面阵列天线。平面阵列天线采用平面阵列技术，将若干个小天线组成天线阵，其多点发射源在同一平面内，使得测量参考点由一基准点变成了一基准平面，配以相应电子线路和信号处理方式，可以大幅提高测量精度。普通天线安装在稳液井内时，其测量精度会显著降低，且易受管壁平整度的影响，而稳液井专用平面阵列天线，其多点发射源的雷达场模式使得各方向的雷达场能量分布动态均衡（相对于单点发射源线性极化的雷达场能量分布），雷达场能量主要集中于管中心，可有效克服不平整管内壁（焊缝、生锈、挂料等）的影响。平面天线的缺点是抗自身冷凝与挂料结垢的能力弱于其他种类。

 

 

１．５　稳液井与旁通管的应用

 

稳液井的材质一般为金属，导波雷达或伺服液位计可以安装在金属、塑料或其他不导电材料制作的竖管里，所有竖管都能隔离工况，去除泡沫，提供稳定的反射面。因此，稳液井也称稳态管或稳波管，但只有金属材质才能起到屏蔽干扰与聚波（导波）的作用。当稳液井起导波作用时可称作导波管，为保证可靠测量，一般有如下要求：

 

１）管径。管内径必须恒定，微波的传播、衰减模式与微波的频率和导波管的内径有严格的对应关系，导波管内微波的传输速度由管内径和微波波长决定，内径减小，速度也会相应减小，管径必须均匀并精确测量后输入雷达，雷达内部软件会对波速变化进行补偿，内径不均将带来误差。管内的微波传输模态（ｍｏｄｅ）不止一个，每一模态都有独一无二的传输速度，模态数与雷达波的频率和管径相关。为限制模态数，管径建议为５０～８０ｍｍ，一般不超过２００ｍｍ。大口径管里，低频优于高频，故高频雷达更应该使用小口管径。６ＧＨｚ，１０ＧＨｚ，２６ＧＨｚ的非接触雷达管径尺寸范围一般为８０～２００ｍｍ，８０～１５０ｍｍ，４０～１００ｍｍ，不同管径应配合相应尺寸的圆锥天线。天线外沿与管壁的间隙越小越好，大间隙可能带来大的测量误差，小间隙有助于在恶劣条件（管壁挂料、蒸汽、旁路入口管、焊缝、隔离球阀）下提高精度，增大量程；单探头导波雷达的相配管径一般为４０～１５０ｍｍ；平面天线管内径可以达到３００ｍｍ。低频比高频更适于内壁肮脏、挂料、冷凝场合的应用，即内壁粗糙时，低频优于高频，故低频更适于管内安装。高频安装的装配要求低（如小的波束角允许天线在小距离抬出安装管时仍能正确测量），但应该用于洁净场合。应用于粘附性介质，管径应适当大一些。

 

２）长度。测量范围从管末开始，故导波管的末端开口的必须达到需要测量的zui低液位，这样才能在管中进行测量。

 

３）内壁光滑。粗糙的内壁反射将带来强烈干扰，削减有效回波，引发误差甚至不正确的测量。内壁应避免生锈、挂料、焊缝。管材zui好为无缝不锈钢管，尽量避免焊接延长。采用预焊接外套管接头或法兰延长时，接管需精确对齐，缝隙也有严格限制。

 

４）开孔。开孔的weiyi目的就是导液，以保证管内外界面一致。孔径不大于管径的１０％，大的开孔会带来虚假回波，孔距至少为１５０ｍｍ（或遵循仪表安装说明），且至少有一个孔高于液面。开孔面积及数量与介质特性（黏度、分层、混合程度）有关，孔可以单侧开或对开，排成纵列，小心去除毛刺。

 

５）安装定位。对于微波线性极化的雷达，允许开导液效果更好的长圆孔甚至长方孔（同样要求宽度不大于管径的１０％），开孔长度和数量不会对测量有任何影响。这是因为其发射的微波有很强的方向性（偏振），整个雷达发射波的能量分布是以近似椭圆形的形状发射出去的，为减小干扰，一般要求椭圆长轴（极性）方向垂直于干扰源。对于微波圆极化的雷达，所发射微波能量各方向也是不均的，但其极性是旋转变化的，故安装无需特定方向。根据反射波的极性识别，可以削减固定干扰源、多径反射带来的虚假回波，更好地跟踪液面回波。现场安装时，可尝试旋转雷达，同时查看回波质量，以实现zui佳位置安装。

 

６）适配的天线与探杆形式。管内一般安装圆锥和平面阵列天线的非接触雷达或者导波雷达，绝缘杆天线的非接触雷达则视具体型号而定。使用平面阵列天线或者导波探杆时，对导波管内壁光滑度要求大幅降低，甚至允许按一定的要求变径。

 

７）附件。可以穿过球阀进行测量，阀必须全开与稳液井同径对齐，保证雷达与静液井上球阀或旁通管入口有一定的垂直距离。测量湍动或流动的介质，需要将导波管固定；对于较长的导波管，须考虑分段固定。

 

绝缘物料反射率低，浅液位时，雷达信号可穿透液位到达罐底，平金属器底的反射会强于真实料面，此时需在导波管末端安装斜置的反射板或将导波管末端弯曲，避免朝向器壁及大的金属内构件。根据需要，稳液井可以按一定要求弯曲。

 

 

１．６　导波雷达的探头

导波雷达的探头有刚性（ｒｉｇｉｄ　ｒｏｄ　ｐｒｏｂｅ）和柔性（ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃａｂｌｅ　ｏｒ　ｒｏｐｅ　ｐｒｏｂｅ）两种。不便使用刚性探杆（安装空间受限、长量程运输安装困难）时，可使用柔性缆绳，固定末端可使柔性缆绳垂直于倾斜的固体料面；同轴、双探头、单探头结构则根据工况选取，探头长度可根据量程任意切割。

 

１）同轴探头。同轴式探头雷达能量集中在小口径的金属管内，导波沿程阻值恒定，能量传输效率高，可检测到微小的导电（介电）性变化，更适于

超低介电常数液体物位或界位测量，不受液面湍动的影响，抗干扰能力强，安装空间要求低，可以近容器内金属构件安装或与其他物位仪表装在同一旁通管内，且互不影响。其结构决定了其适用于低黏度（不大于５００ｍｍ２／ｓ）清洁介质，不适用于脏污、浓重、高黏度、易结晶的物料。

 

２）平行双探头。雷达能量主要集中在两探头之间。测量能力、抗干扰、抗粘附能力介于同轴和单探头之间，可应用于泡沫与轻度挂料场合，膜状涂污仅会削弱信号，挂料在探头间“搭桥”或在隔离器上堆积会导致测量异常，回波较强的桥接处会错误地评定为液位。另有三探头，原理类似。

 

３）单探头。单探头雷达能量主要分布在探头周围约３００ｍｍ的圆周里，测量绝缘（低介电常数）物料敏感性不如前两种结构的探头；外界干扰敏感，应避免靠近干扰物体（容器内壁、内构间）安装，对安装接管的内径与长度有要求，不满足时将有多重回波反射，削弱测量信号，甚至测量失常；不易挂料，固体、黏度大和脏污的物料可选择。