物位计测量技术难点剖析

　　二、TOF测量原理

　　近几年来，发展较快的是行程时间或传播时间ToF （ time of flight ）测量原理，又称回波测距原理。它是利用能量波在空间中的传播时间来进行度量的一种方法。能量波在信号源与被测对象之间传递，能量波到达被测对象后被反射并返回到探头上被接收，属于非接触测距。

　　ToF测量技术可以利用的能量波有机械波（声或超声波）、电磁波（通常为K波段或X波段的微波）和激光（通常为红外波段的激光），相应的物位计称为超声波物位计、微波物位计和激光物位计。

　　天线发射器向距离为R被测量物料发射能量波，经被测量介质反射，由天线的接收器接收。能量波来回所经过的时间用td表示，可得到距离R与时间td 的关系为：td=2R/c （l）式中：c为空气中能量波的传播速度，当以声波为能量源时，c=340m/s;当以电磁波为能量源时，c=3×l08m/s.非接触测量方法正是利用式（l）中距离R与时间td的关系，以不同的方式通过时间差td求得距离R的。

三、雷达物位计分类

　　尽管辐射法物位计都是采用ToF测量原理，但所采用的能量波不同时，信号的反射机理及在信号处理等方面都有很大的不同。以现在常用的超声波和微波物位计为例，它们都采用ToF测量原理，都需要一个信号发生器和一个回波信号接收器，但两种能量波在频率范围、反射方法以及对于包含距离信号的反射波的处理上都有比较大的差别。

　　3.1 超声波物位计与微波物位计

　　电磁波的波段非常宽，从3kHz~3000GHz ，微波是指频率为300MHz~300CHz的电磁波。在物位检测中，微波使用的频段规定在4~30GHz：之间，典型波段为5.8GHz、10GHz 、24GHz.5.8 GHz 的频率属于C波段微波；10GHz的频率属于X波段微波；24GHz的频率属于K波段微波。

　　声波是机械波，频率范围为20Hz~20kHz ，因此，当声波的振动频率高于20kHz或低于20kHz时，我们便听不见了。我们把频率高于20kHz 的声波称为“超声波”。

　　电磁波与声波产生的原理是不同的，声波是靠物质的振动产生的，在真空中不能传播；而电磁波是靠电子的振荡产生的，其本身就是一种物质，传播不需要介质，能在真空中传播。这两种波在通过不同的介质时都会发生折射、反射、绕射和散射及吸收等现象，物位计正是应用这种特性来测量距离的。

　　超声波物位计由声纳技术衍化而来，其安装方式有顶部安装和底部安装两种。早期的超声物位计采用的也是液体导声，超声探头安装在料罐底部外，超声波从底部传入，经被测液体传播到液面，反射后传回探头。超声波传播时间与液位的高低成正比。由于超声波在各种被测介质中传播的声速不同，所以很难做成通用产品；且料罐底部（尤其是液体料罐的底部）安装探头的方法在实用中往往也有困难。因此，在实际工业过程中，利用空气作为导声介质的顶部安装应用越来越广泛。