物位仪表市场中的较量

        ——超声波物位计、雷达物位计、3D物位扫描仪谁主沉浮？

目前世界上物位测量方式比较多，包括：激光式、雷达式、超声波式、重锤式、射频导纳式、电容式等。以上产品并不是*针对物料测量而设计的，而且都是基于单点测量原理。在料位测量方面，因为物料的排放堆积及本身特性所呈现的不规则表面，对于单点式的测量方式并不是理想条件，暴漏出诸多问题。所以的数据始终是一个悬而未决的难题。在实际使用中，效果自然就不会理想。对于用户的物料存储情况及成本控制带来很大的麻烦。
  

一、目前的工况环境难题
　　　如煤粉仓、石灰石粉仓、水泥仓和干灰仓等生产设备，无法直接了解仓内状况。通过长期的现场考察与分析，影响料位正确测量的因素有以下几点：
1．粉末状粉仓内物料颗粒细小，进粉时在仓内呈弥漫状态，细小粉尘飘扬，粉料堆密度小，有粉与无粉的区别趋于模糊，严重影响超声波或其他电磁波法的测量，甚至导致失败。
2．各种物料的成份、湿度等各不相同，导致其物理性质出现差异，尤其是位于不同高度位置的粉料堆密度相差很大，无法用一个统一的物理量去衡量，对连续测量造成很大影响。
3．仓内不规则的出粉、加粉、塌粉等现象，其产生的机械力，破坏性相当大，同时可以使仓内传感器支架产生弯曲、打折，以至损坏设备。
4．仓壁内容易出现挂料现象，并且物料呈现凹凸不平的不规则表面。很容易出现冒顶现象，无法得出真实物位。由此可见，料位测量是目前上一项难以克服的技术难题。

高浓度粉体仓和露天堆场的测量一直都是物位测量领域的市场！

     物位仪表在选型时，常受到物料的物化性质性质和温度、压力、流量、设备安放等工况条件的影响。物位测量的现场工况千差万别，很难设计出能满足所有工况应用的物位仪表。

物位测量技术以非接触式测量作为代表，在非接触式物位测量仪表中，目前超声波物位计和雷达物位计是两大主流仪表。γ射线式检测由于本身带有辐射，在科技以人为本的社会里，已逐步淡出人们的视野。但“3D物位扫描仪”的加入将*改变物位仪表市场分配的格局。这将是测控领域一次技术变革，将测控技术带入3D时代！

二、目前的物位测量仪表   

每类产品各有各自特点，只有充分了解物位仪表应用条件及特点，才能做到选型充分合理，经济资源的才能得到有效利用。

1、超声波物位计

　　传感器发出的超声波碰到被测介质被反射，反射回波的质量反映了物位计应用效果。回波质量定义为zui小回波幅度（在zui恶劣条件下回波幅度）比zui大噪声幅度（虚假回波、多径反射回波等的幅度）。回波质量数值越大，物位计应用效果越好。

　　超声波物位计工作频率及测量性能：传感器高频（40-70KHz）工作时，传感器的尺寸小，盲区小，方向性好，精度高，但其声波衰减快，传播介质（空气）波动时穿透性差，测距较小。传感器低频（10-20KHz）工作时，传感器尺寸大，盲区大，方向性不好，精度低，其优势是声波衰减慢，传播介质（空气）波动时穿透性较好，测距稍远。

超声波的回波强度主要受以下两个因素影响：

　　1.传播介质越稳定越有利于传播。

超声波是机械波。机械波在传播过程中会受到传播介质稳定程度的影响。例如：有一池塘水，当风平浪静时， 往池塘中扔一石子就可看到水波纹，当大风使池塘水起波浪时，往池塘中扔很大的石头都难看到水波纹。引起空气波动因素很多，如：粉尘，气浪，蒸汽，料流等都会引起空气波动，降低回波质量，影响测量效果。当粉尘，气浪等现象严重时，建议用低频超声波物位计来测量。

2.被测介质表面越平整，声阻抗越大（越硬）越有利于反射回波。

　　在固体测量时，被测表面都是不平的，有一定的安息角。在这种条件下的反射波是漫反射波。由于反射与波长有关，当反射面的线度可与波长相比时或更大时，才能发生反射。显然，工作频率越高，其波长越小，对于较小的物料，更易于发生漫反射。例如，频率为10KHz的机械波在空气中的波长是34mm，大多数情况下，物料的线度都不会有这么大。此外，低频工作时，发射波的开角大，回波就会很宽。这时测得的数据也就不准了，有时会差几百毫米甚至1米或更多。因此，测量颗粒较小的固体料位，建议使用高频超声波物位计。

综上所述，考虑现场工况时，应特别注意两个方面：换能器到被测介质间的空气状态和被测介质的表面状态。

　　超声波物位计的选择：

　　１.换能器

　　生产商给出的zui大量程一般是在实验室条件下才能达到。实际应用时，选择量程时，要留有余量。应确保测量距离为仪表zui大量程的0.3-0.5倍。有应用案例。

　　２.控制表

　　应选择有回波显示功能的控制表。由于物位测量工况的不确定性，物位计的工作性能仅用数字表示是不够的。回波显示是将换能器到被测介质之间全过程的回波显示出来。盲区附近的波形状况，真实回波、虚假回波以及杂散噪声的幅度、宽度以及信噪比等有关测量性能的因素通过回波曲线的形式全面反映出来，使用户做到一目了然，心中有数。

　　一台好的超声波物位计应具备的性能：频率高、发射波开角小（方向性好），换能器谐振好（盲区小），换能器要起振快，刹车快，谐振频率准。全量程回波处理动态范围大（100-120dB），回波图形显示。在多虚假回波的工况下，回波波形不断变化时，物位计应能准确地捕获真实回波。因此，物位计的回波处理软件应具有良好的算法（是一种物位测量应用经验积累的总和）。

小结：超声波物位计目前市场价值：由于雷达技术的普及和发展以及雷达的技术特点，在物位测量中，超声波物位计有被雷达物位计取代的趋势。综合性价比分析，在液位测量方面，超声波物位计还有市场。

2、雷达物位计（导波雷达物位计）

　　雷达技术主要应用于军事监测国防领域，随着科技的发展社会的进步，这项技术也广泛应用的工业，民用等相关行业——科技服务社会。
    非接触物位测量中，雷达技术的应用近年来获得快速发展。超声波物位计中换能器是眼睛，而雷达物位计中高频头和天线是眼睛，回波处理是物位计的大脑。雷达物位计继承了超声波物位计的回波处理技术。

　　雷达物位计发出的电磁波碰到被测介质被反射，反射回波的质量反映了物位计应用效果。回波质量定义为zui小回波幅度（在zui恶劣条件下回波幅度）比zui大噪声幅度（虚假回波、多径反射波等的幅度）。回波质量数值越大，物位计应用效果越好。　

回波强度主要受以下因素影响：

　　传播介质介电常数越高越稳定越有利于传播。雷达波是电磁波，电磁波在传播过程中不受传播介质稳定程度的影响，只与其介电常数有关。这是雷达技术与超声波技术的重大区别。被测介质表面越平整，其介电常数越大越有利于回波反射。

　　      所以考虑现场工况时，应特别注意这两个方面：
   （1）天线到被测介质间空气介电常数的分布
   （2）被测介质的表面状态及其介电常数。
雷达物位计的优点是：不受空气波动影响，随距离衰减小，穿透力强。

雷达物位计的局限性：

1）影响雷达的性能是介电常数，理论上在真空中雷达衰减极小，当空气中存在对雷达衰减物质，例如：含高介电性的粉尘粉末（石墨，铁合金等），水蒸气很大，测量距离和效果要受影响。
2）被测介质的挥发气体会在天线上聚集，水蒸汽会在天线上聚结，此时，会影响雷达波发射，严重时雷达波不能发出。
3）被测介质的介电常数不能太小。
4）尽管温度和压力对雷达影响极小，但雷达天线是由材料做成，雷达可适应温度和压力的范围与使用的材料和密封结构有关。

与低频率雷达相比，高频雷达有以下优点：

　　1）高频雷达物位计（主要指26GHz和24GHz）具有能量高，波束角小（一般Φ95的喇叭天线的波束角为8°，而6GHz低频脉冲雷达的喇叭天线直径为Φ246时，波束角为15°），天线尺寸小，精度高等优点。

　　2）26GHz雷达波长11mm，6GHz雷达波长50mm，雷达测量散装料位时，雷达波反射主要来自料面的漫反射，漫反射的强度与物料大小成正比，与波长成反比，而大部份散装料直径远远小于50mm，这就是为什么目前26GHz雷达是散装料物位测量的*选择。

　　3）在一些直径小高度矮的小罐应用中， 6GHz雷达天线长（300-400mm）无形中增大了盲区（大约600mm），由于6GHz雷达方向性差（开角大）在小罐中会产生多径反射；26GHz雷达频率高频，天线短，方向性好，克服了6GHz雷达的缺点，适用于小罐测量。

　　4）由于现场环境恶劣，随着时间推移，雷达天线会堆积污物、水汽等，26GHz雷达天线小，加天线罩可大大改善污物、水汽影响；6GHz雷达天线大，加天线罩很困难。且仪表较沉重，清理困难。

　　5）由于26GHz雷达方向性好，很多恶劣工况，可通过简单隔离，将雷达装在容器外进行测量。
    26GHz天线种类很多，各有特点如：

　　JKSRD55天线，全四氟（PTFE）密封天线，适合工况较好（测距短，液面稳定）的液体，腐蚀性液体。少量的挥发物对天线只造成轻微污染。

　　JKSRD56,58天线：
1，不绣钢喇叭天线，适合较干净没有挥发物的工况。
2，不绣钢喇叭加PTFE罩天线，适合有挥发物，粉尘的工况。
3，全朔料天线带PTFE罩天线，适合有挥发物，粉尘，凝结的工况。
4，不绣钢喇叭带吹扫天线，经压缩空气做吹扫风，适合对天线污染严重工况。
5，加天线延长管和散热管，可用于超高温工况（如钢水）。

JKSRD57全四氟（PTFE）密封自滴型平面天线，适合食品卫生工况。

导波雷达物位计——非接触雷达物位测量的补充

　　导波雷达物位计发射脉冲电磁场，以导波缆为中心100mm为半径，沿缆向前传播，遇介质返回。除有非接触雷达的特点以外，导波雷达方向性好，频率低（500M-1GHz）穿透性好。缺点是显然的，尤其在固体测量中，调试维修都不方便，经常会磨损，甚至急速下料断缆。但可利用导波雷达物位计低频的穿透性实现某些特殊应用。如：油水界面；以及利用缆的末端反射测量介电常数非常小的粉末（除尘粉仓）粉位测量等。

在高温、高压工况条件下，导波雷达物位计与脉冲（非接触）雷达物位计相比更具优势。脉冲雷达天线由不锈钢和PTFE构成，而PTFEzui高使用温度200°，zui高压力4MP。当导波雷达用不锈钢和陶瓷构成时，zui高使用温度400°，zui高压力40MP。这也是比超声波*之处。

小结：雷达物位计目前已成为市场上的主流产品，而低频率雷达物位计尽管具有价格相对低廉的优点，但在主要应用领域中，属于逐渐被淘汰的产品。从超声波物位计的应用中得知，要获得比较好的回波，换能器工作频率大约40KHz，波长大约9mm，这时发射波的开角为7°-8°。工作频率越高，其开角越小，但其量程较小。与超声波类比，雷达物位计要获得上述效果的回波，其工作频率应为26GHz，此时，其波长为11mm。当用口径为100mm的喇叭时，可获得7°-8°开角的发射波。若雷达工作频率是6GHz，则相当于超声波的工作频率为10KHz。而工作频率为10kHz的超声波物位计在物位测量中各项指标都很不理想，特别不适于固体料位的测量。

3、3D物位体扫描仪——将是物位仪表的产品！
　　3D物位扫描仪的诞生，*改变了传统的单点测量技术原理，世界物位测量领域走向视觉新维度的“3D时代”，真正达到了介质可视化，过程智能化的技术。并以急速蔓延的趋势深入到各行业的物位测量领域扮演主要角色。该系统是目前仅有的一种可计量固体物料和体积的创新产品，而且不受物料种类，物化性能，贮存物料间，开放仓或料仓的类型和尺寸的影响并适用于非常恶劣的高粉尘贮存环境的物位测量。
工作原理 　　
　　3D物位扫描仪基于二维数组波束形成器发射低频脉冲波，监视每个回波的时间/距离/方向。设备的数字信号处理器对接收来至物料表面的脉冲回波信号进行取样和分析，生成物料表面实际分布状况的三维立体图像,这个图像通过一种专有的计算方法对信息进行处理并生成3D图像，可以在远程电脑的屏幕上显示出来。设备可以据此检测出物料的真实物位。

3D物位扫描仪产品优点

更新的立体制图体：3D物位扫描仪能够以三维图像实时显示物料形态的随机变化，进而可以广泛应用于传统技术无法进入的挑战性的测控领域。
更高的度：三维图像呈现出物料zui真实zui的表面物位值、体积和质量，消除了传统测绘中单点测量导致的误差。
更简便的操作：3D物位扫描仪系统提供非常直观的三维图像和简便易读的数据，使其成为目前市场上zui方便、zui有效的物位测量仪表。
更紧密的传感器：3D物位扫描仪内置温度传感器，监测环境温度并通过软件设置温度补偿以消除换能器长时间工作产生的温升而带来的测量误差。
更高的性价比：3D物位扫描仪可用于固体和液体的测量，为您提供的数据，更加全面的性能和更高的性价比。

3D物位扫描仪技术优势
● 真正的介质可视化，过程智能化的*产品；
● 替代并超越雷达物位计或超声波物位计的革命性突破；
● 扫描物料的表面（成百上千个网格点）无论物料表面如何不规则，测量的都是多点的平均值；
● 的高浓度粉尘透射技术，低频脉冲波技术，非接触式测量；
● 无移动部件，无腐蚀风险，适用于水泥、钢铁、电力、储运、食品、化学品和药品等；
● 可检测粉末、粒状料、丸状料以及其他固体物料，无需特殊校准；
● 可用于高型筒仓—检测范围可达70M
● 对粘附在仓壁的物料提前警示，成本效益高；
● 初始安装过程中远程连接我方客户支持工程师，以实现特定现场扫描仪能够自定义至*性能配置。

3D物位扫描仪和单点测量设备精度对比
● 筒仓尺寸：直径=10M，高度=20M
● 顶部和底部为45度椎体；
● 3D物位扫描仪精度=1.55%；
● 单点测量仪表精度=16%

3D物位扫描仪工作频率
● 3D物位扫描仪使用2至7KHz的频率；
● 在此低频下，波束有宽广的覆盖角度（70°）；
● 粉尘穿透—低频波在高粉尘和高湿环境中工作仍能维持很好的效果。

三、现有物位测量技术对比

总结 ：

　　超声波物位计的应用主要是考虑换能器（探头）的选择。主要应用于工况条件比较稳定的液位测量环境，不用于固体物位测量。

　　雷达物位计的应用是考虑天线和频率的选择。26GHz雷达物位计的价格仍然远高于6GHz雷达物位计价格相当，由于物位仪表技术已逐步接近该领域的瓶颈，这更促进了26GHz雷达物位计的应用。由此可见，6GHz雷达物位计*会大大降低。随着技术的进步，我们期待更高频率（如：80GHz）、更小开角（如：2°，3°）、更小体积的雷达物位计的面世。我们将在此领域中不懈地努力，将雷达物位测量做到*。

3D物位扫描仪可以监测储存于任何容器，包括：大型的开放式仓室，固体物料储存室，堆场和仓库中任何散状固体物料，其应用环境和场合十分广泛。三口天线喇叭所发出的低频脉冲波可穿透悬浮的粉尘，而克服了其他产品在恶劣的环境下测量下的虚假回波。脉冲波信号含有专有的自清洁功能，可防止物料黏附在天线喇叭的内表面。从而保证在任何恶劣的环境下确保非常低的维护量进行长期可靠的工作。

　　在使用以上设备进行物位测量时，虽然有实时物位数据出来，但由于无法确知仓内实际情况，对测量数据的准确性无法做出正确判断，仍需经常通过人工的测量方式对设备测量数据进行二次标定，使得测量设备无法正常投入到自动化运行中。由于市场的发展产品的更新，随之而来的是价格方面的更新，请根据你的工况量身定制你所需要的产品吧！

综合以上的产品及市场分析，相信对您的选择一定很有帮助！

介可视北京机电技术有限公司

：www.jiekes.com
：4006 911718