物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况.doc

物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况
上海工业自动化仪表研究所 李竞武

一、 TOF物位测量技术

1． 原理
TOF（Time of Flight行程时间或传播时间）测量原理，又称回波测距原理。是非接触测距的一种方法，当前广泛应用于物位测量中。其原理是：安装在料仓顶部的探头向仓内发射能量波，当能量波传播到被测物料面上时，在物料面上反射并返回到探头上被接收。波的来回传播时间就是距离的量度，并可以据之计算物位。
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），光波（通常为红外波段的激光）。相应的物位计称为：超声物位计、微波物位计及激光物位计。

2． 超声测量物位
利用超声来测量物位技术发展已很成熟，在工业工程中应用越来越广，液体、浆体、固态物料都能应用，应用的行业有：冶金、电力、矿山、煤炭、水和废水、化工等行业，已成为物位测量应用中的一种重要手段。
近年来在技术上没有太大发展，近年推出的新产品主要在：输出信号上增加现场总线接口（常用的有Hart, Profibus, F.F.等）；仪表的防护等级达到IP67/68，可以工作于更恶劣的环境；连接电缆有的可以不用专用高频同轴电缆，用普通双绞屏蔽线也可达360m长；价格也逐步走低。
固态物料（矿石、煤、谷类等）物位是超声波测量有优势的领域，应用量很大。水和废水处理是另一个优势领域，主要是一体形超声液位计。这两个领域，近几年内，仍应是超声物位计的主要市场。因为应用已成熟，性能稳定可靠，而价格比微波液位计便宜。  

3． 微波测量物位
3.1 概述
利用微波来检测物位是近年来发展最快的一种物位测量技术。俗称雷达物位计，因为它是雷达（RADAR无线电检测与测距）技术衍化而来，正确的名称应是“微波物位计”。
和超声波（机械波）相比，微波（电磁波）的传播不依赖介质，故可使用于有挥发、高温及压力的工况；传播损耗小，量程大小对价格的影响不大；波速不受环境影响，故测量精度较超声物位计高，一般产品可达0.1％，精密级产品可达1mm绝对精度。它可以解决许多超声波技术难以胜任的工况。故应用发展很快，已成为物位测量中一种重要手段。
微波在空气中传播速度约为3×108m/s，与超声速度340m/s相比高了6个数量级，过程应用中物位量程一般为几米～几十米。传播时间约为数十毫微秒数量级，要求测时精度约为微微秒数量级。
3.2 技术特点
微波物位计按结构可分为以下二类。
3.2.1 天线式（非接触式）
微波通过天线发射与接收，为非接触测量模式。天线可以有各种类型：绝缘棒、园椎喇叭、平面阵列、抛物面等。绝缘棒天线通常用聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料制成，耐腐蚀性能较好，可用于强酸、碱等腐蚀性介质。但微波发射角较大（约30°），并且边瓣较多，对于罐内结构较复杂的工况，干扰回波会较多，有时调试较复杂。
椎形喇叭天线的发射角与喇叭直径及频率有关（见表1）。喇叭直径越大，发射角越小。抛物面天线发射角最小，约7°，但天线尺寸更大，直径达Φ454，开孔尺寸要＞500mm，安装使用不大方便。发射角小，微波能量集中，可测较远距离（或较低介电常数的物料，也能有较强回波），由于波束范围小，干扰回波少，可以测量较狭的料仓。平面天线采用平面阵列技术（PAT），即多点发射源，与单点发射源相比，由于其测量基于一个平面，而不是一个确定的点，配合相应电子线路，可使微波物位计的测量精确度达±1mm，可用于储罐精密计量，主要用于计量级微波物位计。
表1 锥形喇叭天线尺寸与波束角关系
微波频率
5.8GHz X波段
26GHz K波段
天线尺寸
Φ100
4″
Φ150
6″
Φ200
8″
Φ250
10″
Φ40
11/2″
Φ50
2″
Φ80
3″
Φ100
4″
波束角
32°
23°
19°
15°
23°
18°
10°
8°
3.2.2 导波式（TDR时域反射原理）
这种结构采用接触式的测量方法，微波物位计带有金属棒或柔性缆的导波杆，安装时从罐顶直达罐底，工作时，微波通过导波杆外侧向下传播，在碰到物料面时由于介电常数εr与空气不同，就会产生反射，并被接收。根据波的行程时间即可测出物位。这种方式虽然失去了非接触的优点，但它可以测量介电常数较低的物料（εr≥1.2），如液化气等，也可以测量粉状或颗粒状物料物位。但是对于会在导波杆上积料的场合，应用会有问题，在大量程固态物料应用时，导波缆有时会被下降物料拉断。
微波物位计按使用微波的波形分类，可分为：调频连续波（FMCW）、脉冲波及调频脉冲波三类。
早期的微波物位计都采用调频连续波方式，虽然其线路结构较复杂，成本较高，但因为微波的行程时间仅为毫微秒数量级，如直接测时间差，测时精度要达微微秒数量级。在当时技术条件下难以低成本实现，调频连续波方式是测发射波与反射波的频差，易于实现。90年代后期，高精度测时技术已很成熟，故这一阶段推出的微波物位计均采用脉冲法，直接测时，成为微波物位计中主要采用的方式。调频连续波方式主要用于高精度的高端产品。也有将这两者结合起来的调频脉冲波方式，脉冲波的载波是连续调频的，回波也是通过频差的方式来测量距离，而不是直接测时间，这样精度可以较高，主要用于精密型的液位测量。
3.3 应用
微波物位计在下列领域的应用中，技术上有优势。
3.3.1 高温、高压、腐蚀、带搅拌等复杂工况
沥青、酸碱罐、反应釜、主要在化工、石油化工等行业。
3.3.2 高炉炉料料位，高温融熔金属液位
这类工况被测物料温度较高，由于热辐射，物位计安装位置温度很高，故通常采用带弯曲延伸管的喇叭天线，电子部件在远离热辐射区域，不锈钢喇叭天线能耐受较高温度。而微波的传播与反射不受温度影响。（附图）
3.3.3 粉状、颗粒状料位
测量固态物料要用专用型号的微波物位计，其信号处理软件和测量液位的微波物位计是不同的。粉状料位（电厂灰库、水泥厂均化库及成品库料位）一般采用气动输送，料仓中空间粉尘很大。水泥均化库还从下部往上吹气，料面不是很清晰。Siemens公司LR400微波物位计能很好应用于此类工况。导波式微波物位计也可以用，价格会便宜些，但因为是接触式，安装及维护较麻烦。
3.3.4 大型储罐液位精密测量
原油、成品油罐、液化气、化工液体等液位测量，可本安或隔爆。过程级的仪表测量精度可达3mm，计量级仪表可达1mm。随着价格下降，微波物位计逐步成为该领域中主要仪表。

4． 技术发展趋势
4.1 工作频率向高端发展
目前大多数脉冲式微波物位计均采用X波段，频率为5.8GHz（或6 GHz），调频连续波形采用10 GHz左右频率。如前所述，它的微波发射角较大，虽然通过采用大尺寸椎形天线或抛物面天线可以改善发射角，但体积大，要求开孔尺寸大，使用不方便。
同样锥形喇叭天线尺寸，采用的微波频率越高，发射角越小。目前，高频的微波器件价格下降，已能在工业产品中大量应用。故微波物位计发展趋势之一就是向高频发展，通常采用K波段26 GHz（或24 GHz）频率。在发射角较原先改善的情况下，尺寸大幅度减小，安装使用都方便，而且由于微波能量集中，其量程可扩大到70m。可以测更低介电常数的物料（εr≥1.4）。Siemens, E+H, Vega等公司均推出了此类成品。
4.2 脉冲波原理向高精度发展
早期的脉冲式微波物位计测量精度为0.1％FS(10~20mm)，新推出的采用26GH的脉冲式微波物位计，精确度可达0.05%FS或±3mm，在过程级仪表中已是很高的精度，在计量级微波液位计中，现推出了采用数字平面技术（DPT）的智能液位计，它是数字信号处理技术和平面阵列天线技术综合的产品。它提高了信号噪声比，能判断虚假回波、蒸汽影响及其它因素，可以区分微弱的有效测量信号和较强的干扰反射信号，避免了由于仓壁反射干扰波对测量精度的影响，使测量精确度达到±1mm，满足了油品商业计量交接的要求。如INRAF公司的SmartRadar。
4.3 向经济型发展（5.8GHz）
微波物位计另一发展趋势是：简化结构、降低成本，向经济型发展与其它常规方法竞争通用的液位测量市场。Siemens公司的SITRANS Probe LR微波物位计是这类产品的典型，采用PP材质绝缘棒天线，量程20m，二线制本安防爆，精度0.1％，价格比同量程超声液位计还便宜，而精度却更高。成为一种常规的通用产品。但是由于用的是5.8GHz频率，绝缘棒天线，仪表尺寸较大。在5m以下小量程时，超声物位计体积较小，价格也低些。

5． 激光测量物位
激光物位计也是从激光测距技术衍化而来，技术上已成熟，也有产品推出了：如SICK和K－TEK公司，但由于这种产品本身技术特点，在过程中应用有限。因此生产的厂家很少，产品价格也高。由于激光的光学特性，被测物料必须是不透明的液体或浆体，虽然说可以测量固体物料，但实用中问题很多。因为激光波长很短，在固体物料的粗糙表面上，不易得到良好回波，而且深色的物料表面对光波吸收大，所以实用中也是测距上较多。它的优点是波束狭（光束直径约50mm，波束角约0.15°），可以在很狭范围内传很远距离而不会受到干扰，量程最大可达350m。为了保证在被测目标上可靠反射，可以在目标上贴上目标反射器（尺寸为25×25cm2或50×50cm2），以保证光束稍偏离正入射反射面也能得到可靠回波。
预计在近几年内，在过程物位的应用上不会有很大增长。

二、 我国的物位仪表工业
我国的物位仪表起步较晚，60年代才有专业的物位仪表厂，由于国内需求不旺，发展不快，规模都比较小，以生产机械型产品为主，几个国家定点大厂都逐步以流量仪表为主（如开封仪表厂，银河仪表厂）。在88年8月，物位仪表行业协会成立时，约有20个成员单位：包括了当时国内主要的物位仪表厂：上海自仪五厂、北京自仪四厂、武汉二六五厂、辽阳自动化仪表厂、大连第五仪表厂等五个厂是会长及付会长单位。
国家“七•五”计划期间，自动化仪表行业掀起了技术引进高潮，物位行业只有三个厂引进了四个项目（上海自仪五厂引进了电容式物位开关制造技术、超声波物位计制造技术，北京自仪四厂引进了钢带液位计制造技术，铁岭光学仪器厂引进了高温双色玻璃板液位计制造技术），和同期流量行业有22个厂引进了24个项目相比，太少了。因此当时物位行业在技术上提高不多。
随着国家进一步改革开放，经济的发展，自动化程度的提高使物位仪表需求猛增。原有生产能力不能满足要求，国外产品大量进来（主要是高端产品），国内民营物位仪表厂很快发展。在市场经济的大潮中我国物位仪表工业面临洗牌，原来物位行业协会中一些成员厂，有的破产、有的改制为民营企业、也有些改变了产品方向，但近年成立更多的物位仪表厂，有国外独资、合资，但更多的是民营厂，没有纯国营的厂。据不完全统计，稍具规模的约七十余家，这些物位仪表厂分为三类：
1. 外资或合资公司（见表二）
该类公司真正在国内生产的还是机械型产品。如磁浮子、磁翻板液位计、浮球液位开关、阻旋开关等。电子型液位计基本是组装，主要部件都是国外进口，安装法兰、外壳等机械部件在国内加工。产品规格、性能都同国外产品，但价格加工较进口产品便宜。主要是为了更好进入中国市场。目前还未有以中国作为生产基地、出口返销的。产权结构上，以独资为多，合资也基本上是外资控股。该部份企业将是我国物销的。产权结构上，以独资为多，合资也基本上是外资控股。该部份企业将是我国物位仪表高端产品的主要供应商。
序号
企业名称
主要产品
2004年物位仪表销售额（万元）
1
上海凡宜科技电子有限公司
（台湾）
浮球液位开关、浮子液位计、磁翻板液位计、音叉、电容物位开关、数显表
3,100.00
2
上海信东仪器仪表有限公司
（港日）
电浮筒液位计、钢带浮子液位计、磁翻板液位计、浮子式、磁致伸缩液位计、浮球液位开关
1,400.00
3
上海柯普乐自动化仪表有限公司
（德中）
浮球液位计（开关）、磁浮子液位计、阻旋物位开关，压力式，电容式、超声物位计
1,400.00
4
上海恩德斯豪斯自动化设备有限公司（德国）
超声、微波、电容、音叉、静压、核辐射、重锤式等液位仪表
9,000.00
5
天津天威有限公司（中德）
超声、微波、电容、音叉、静压、核辐射
5,500.00
6
辽阳科林仪表有限公司（中日）
磁浮子液位计、玻璃板液位计、浮球液位开关
500.00
7
凯泰克（天津）物位有限公司
（美）
磁浮球开关、磁翻转液位计、磁致伸缩液位计、导波雷达液位计
3,500.00
8
承德科隆•热河仪表有限公司
浮筒液位计、钢丝液位计、液位开关
500.00

合计 
24,900.00 
2. 生产机械型物位计为主的民营公司
这类厂数量最多，规模大的，年销售额已达数千万元，规模小的仅几十万元，它们将面临优胜劣汰竞争，由于技术含量均不高，要长期生存必须要有规模，并要保证产品质量。

3. 生产自行开发的电子型物位仪表的民营公司
这类公司往往由技术人员领衔成立，生产自己开发的技术含量较高的电子型物位仪表。从国际著名的物位仪表公司发展历史看，现在的跨国公司，大多是在50年代由技术人员创办的，自己开发研制了产品，然后成立公司制造产品，当时规模并不大，逐步发展壮大，成为跨国公司：如E+H、KSR-Kuebler、Vega等。这与物位仪表特点有关：多品种、小批量，生产与应用的技术含量高。企业的规模都不大。
在我国改革开放的环境下，现也有一批科技人员致力于研制开发产品，然后建厂生产属于自己知识产权的产品。这类企业近三四年发展很快，生产的产品技术含量较高。以射频电容物位计最多，超声物位计其次，还有磁致伸缩，微波式物位计等。
这类公司发展空间较大，因为这类产品技术含量较高，开发成本高而生产成本低。国内需求很大，只要开发出的产品性能接近国外同类产品，国内生产的价格大大低于进口产品，就有很大的市场空间。如去年在Miconex ‘04展会上展出微波物位计的北京瑞普阿司克公司，今年已销售了600余台，明年预计1500台以上。一体型超声物位计国内已有几家公司生产，价格约为进口产品的一半左右，去年估计已有数千台销量。
北京仪通鑫磊测控技术有限公司生产磁致伸缩液位计去年销售了2000台，主要用于加油站地下油罐液位测量及其它油罐液位。性能接近国外产品指标，价格仅为其40％。这类公司的关键是要在研发上下功夫，把产品真正做好，经受现场应用的考验，然后再在扩大生产时保证产品质量，就一定能得到很快发展。成为我国物位仪表行业中的骨干力量。
三、 我国的物位仪表市场
基于我国物位仪表工业现状，我国过程自动化中所需的物位仪表相当部份还是靠进口，特别是微波、超声、磁致伸缩等高端产品，以及机械型产品中高压、高温及特殊材质产品，大部份还是靠进口。我们统计了8个独（合）资物位仪表公司2004年的销售额共约2.49亿元人民币（表3）。其中电子型产品大部份是原装进口销售，部份进口关键件，国内组装。机械产品国内加工部分较多。但由于电子型物位计价值高，总体上来看国内加工部分占销售额1/4~1/3，约7千万元。表4统计了国外主要物位仪表公司（表3列出的除外）2004年的销售额。13个公司总计约4.11亿元。两者总计6.6亿元。考虑到其它一些未统计到的公司，估计进口物位仪表总额约9亿元。
国内因小厂较多，而且变动较多，尚未有可靠数据，我们收录了约六十多家物位仪表厂的资料，由于大多生产机械型产品，价值低，加上未统计的，全国应有100多家，估计销售额最多7～8亿元，略小于进口产品销售额。估计2004年中国物位仪表总销售额约16～17亿元。2005年估计增长15～20％，约20亿元。市场份额的分割状态，近几年不会有太大改变。

表3国外物位仪表产品在中国销售情况（已建立生产企业的除外）
序号
企业名称
主要产品
2004年销售额（万元）
1
Siemens（德）
超声、微波、电容、阻旋、音叉
6,300.00
2
Emersion Process Management（美）
微波
5,000.00
3
Hycontrol（英）
超声、微波
2,000.00
4
Nivelco（匈牙利）
超声、微波、电容、浮子、音叉
2,500.00
5
Flowline（美国）
超声、液位开关
1,000.00
6
Magnetrol（美国）
浮球式、微波、超声、电容、热导
5,000.00
7
Ametek Drexelbrook（美）
射频导纳、超声、微波
1,600.00
8
KROHNE（德）
TDR、微波
4,000.00
9
Solatron mobrey（英）
浮力式、超声、微波
1,500.00
10
Enraf（荷）
微波、伺服型
5,000.00
11
MTS（美）
磁致伸缩
1,500.00
12
K-M
超声、称重
700.00
13
SOR
浮力式、超声
5,000.00
14
Hawk（澳）
超声

15
FCI
热扩散式液位开关

16
P+F
超声、微波、浮力式、电容、音叉等物位仪表

物位测量技术发展及我国物位仪表工业概况
一、 物位测量技术发展动向
1. 微波物位计
微波物位计(俗称雷达物位计)利用回波测距原理，其喇叭状或杆式天线向被测物料面发射微波，微波传播到不同相对介电率的物料表面时会产生反射，井被天线所接收。发射波与接收波的时间差与物料面与天线的距离成正比，测出传播时间即可得知距离。由于微波是电磁波，以光速传播且不受介质特性影响，所以在一些有温度，压力，蒸汽等场合，超声物位计不能正常工作，而微波物位计可以使用。在石油及石化领域有较广阔的应用前景。
微波物位计有两种工作模式。
(1)脉冲波方式：其工作模式与超声物位计相似，天线周期地发射微波脉冲，井接收物料面回波，同时对回波信号进行分析处理，确认有效回波，据之计算物位。精确度约为0.2—0.3%F.S.。一般中档以下的微波物位计都用此方式。原来生产超声物位计的厂家大多采用此方式生产微波物位计。如：Vega、E+H。Siemens-Milltronics等。
(2)调频连续波方式(FMCW)：天线发射的微波是频率被线性调制的连续波，当回波被天线接收到时，天线发射频率已经改变。根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。FMCW方式测量线路较复杂，价格较高，但测量精确度较高，可以达0.1%F.S.，甚至更高。同时干扰回波也较易去除，一般较高端的产品都采用此方案。
微波物位计刚进入市场时，曾被寄予过高的期望，实用中发现局限性也很大。普通的微波物位计要求被测物料为εr>4，精密型的可低至εr>2。εr>2的介质因反射波微弱而不能稳定测量，而石化系统中有些介电常数εr低的介质，如：液化气等，就得不到稳定的测量结果，必须加导波管来集中能量。
另外，大多数脉冲式微波物位计采用的微波频率为5.8GHZ，其辐射角较大，在储罐中除了液面回波外，还会产生其它干扰回波，使接收回波复杂，难以确认液面回波。在卧式罐或拱顶罐内使用时，由于顶部会对反射波产生聚焦效应，形成多次回波，故不能安装在罐中心位置。在测量固态物料时，更会产生各种干扰回波，故大多数微波物位计不能用于测固态物位。
针对这些问题，有的公司(如Siemens)开发了采用更高频率(24GHZ)的微波物位汁，其发射指向角小于10°，这样能量集中，不但能测得更远距离(45m)，而且信噪比高，可以测量低介电率的介质(εr)1．7)。由于内置了先进的回波处理软件。可以用于测量固态物料物位，甚至可以测量粉状水泥的物位。

2. 导波式微波物位计
导波式微波物位测量技术是微波物位计的一种变型，英文名称是Time Domam Reflectometry(时域反射法)或简称TDR，也俗称导波雷达，通常采用脉冲波方式工作。与微波物位计不同点在于微波脉冲不是通过空间传播，而是通过一根(或两根)从罐顶伸入．直达罐底的导波体传播。导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。微波脉冲沿杆或缆的外侧向下传播，在被测物料表面上被反射、回波被天线接收，由发射脉冲与回波脉冲的时间差即可计算出传播距离。它可以测量的范围包括液体和固体的物位，以及非导电液体与导电液体的分界面。双杆(缆)及同轴管式导波体由于电场能量集中，易受外部结构影响，可以测量较低介电常数的介质(ε)r1.5)。但在杆之间(或管内部)容易积料，积料上会产生虚假回波，故主要用于液体介质。
单杆(缆)式可以用于液体介质，而且因为不易积料，也可以用于粉状或颗粒状固态物料。　　导波式微波物位计虽然丧失了非接触的优点，但在下列应用领域有其独特优势：
(1)低介电常数的液体，如：液化气、轻质汽油等。如果用普通微波式液位计，因其介电常数低，反射信号弱导致不能稳定工作，也必须加导波管来集中能量，一样是接触式。而导波式价格低，工作更稳定，安装也方便。
(2)同时测量油罐中的油位及油—水界位或类似场合。但必须注意，上层液体必须是非导电的，下层液体必须是导电的或介电常数较大的。
(3)测量固态物位，特别是粉状物位或介电常数很低的塑料粒子(如聚乙烯)的物位。与超声波及微波物位计相比，工作稳定可靠。
(4)高温、高压的液位测量。如锅炉汽包及加热器水位。这种高温、高压同时存在的场合能解决的手段不多，通常是用浮筒液位计(电动或气动)。但由于有活动部件，工作可靠性受影响。现导波式微波物位计已能做到耐高压34.5MPa(在20X2时)。同时耐高温高压的可达到200℃(在29MPa时)，及450℃(在13.5 MPa时)。由于其探头部分就是同轴金属管，所以结构简单，价格低，对电子式浮筒液位计形成了很大竞争。虽然导波式微波物位计是接触式的，但价格较低，又有上述优点，所以也作为一种受欢迎的测量方法得到发展。生产厂家也逐渐增多，有KROHNE、E+H、Magnetrol、K-Tek等。
3.超声物位计
　　超声波测量物位主要利用回波测距原理，技术发展已较成熟，应用也积累了很多经验。近年来的主要发展是增加通讯功能，特别是各种现场通讯协议的选项， 如：Profibus-DP．A—B公司的Remote I／O、Modbus RTU、Device net，还能通过调制解调器经过电话线远传，价格下降，加速了普及。
超声物位计应用有优势的领域是：
块状、颗粒状及粉状的固态物位测量。这些领域中超声波是首选的技术。冶金、矿山、选煤、建材、电力等工业都有大量料仓，超声波非接触的测量方法比传统的重锤探测式不但安装方便．工作可靠、维护量少，价格也有竞争性。经过多年应用后，国内电厂及选煤厂输煤系统中煤仓料位几乎都使用超声物位计。
干式气柜等大量程位置测量，又有防爆要求的，也是超声波占优势的领域，最大量程达90m(如上海真如煤气站)。
随着对环境保护的重视，污水处理项目增多。一体型超声物位计以其使用方便、工作可靠、价格也低廉而得到越来越广泛的应用。还开发了专用于环保行业的有多种功能的超声物位计，如：能对集水井中多达五个泵进行控制，并可计算泵送体积根据不同时间电费率的不同来控制泵经济运行；能检测隔栅前后液位差；能检测明渠流量。所以在国内，超声物位计也成了污水处理中的首选物位仪表。
3. 大型储罐液位精密测量
石油和石化系统有大量储罐需测液位，并且据之计算库存，精确度要求高(±1—2mm)，量程大(15m或更高)，形成一个专门的需求领域。
以往，用得较多的是钢带浮子液位计，它是用恒力弹簧来平衡浮子重力的自力式浮子液位计，除了就地指示外，还可将液位信号电传，精确度约2—3mm，不能达到计量级的要求(1mm)，一般用于监控或内部结算。这类产品应用已有五十年以上历史，国外目前应用仍很广。国内声誉不太好，其原因大都是安装不规范，加上没有很好维护，并不是原理或结构上的问题，只要加强日常维护就能可靠使用。因为并不是所有的储罐都要精确测量到lmm，所以钢带液位计仍有广泛的应用市场。国内生产厂有北京自动化仪表四厂、大连仪表五厂及上海自仪五厂等。
国内用得较多的还有光导电子液位计，它是用重锤平衡浮子重力的浮子液位计，与钢带浮子液位计属同一类型。虽然其用光电转换方法读码带精确度很高，但浮子跟踪液位还是靠液位变化引起的浮子浮力变化来带动伺服系统。由于系统静摩擦的存在，灵敏度不可能很高，也需要较好的安装及维护。从理论上讲，不会比钢带液位计更高。
达到计量级要求精确度必须在lmm以内。目前有三种测量技术可以达到此要求。
(1)伺服型浮子液位计：它是一个用可逆马达来带动浮子自动跟踪液面变化的自动伺服式液位计。测量液面的精确度可达0.7mm，灵敏度可达0．1mm。同时还能测量油水界面
国外已经应用的这类产品生产厂家有荷兰ENRAF公司，德国E+H公司，日本东京计装(株)等。国内大连第五仪表厂开发了样机，但末投人生产。
(2)计量级微波液位计：瑞典Saab公司较早就推出了声称达lmm精确度的计量级雷达，国内也应用了不少。但在实际中是否能达到，看法尚不一致。最近E十H公司也推出了带平面及抛物面天线的micropilot S系列雷达，声称也能达到lmm精确度，主要用于储罐油位测量。由于量程大，无可动部件，是非接触测量，对原油．沥青等粘度较大液体也能可靠测量。同时其测量精确度确实也在不断提高，价格也在下降。所以其在储罐液位测量中的份额将会不断增加。
(3)磁致伸缩液位计：美国MTS公司的磁致伸缩液位计也是能达到计量级精度的仪表．其精确度可达0.05%FS~0.5mm(两者取其大者)。仪表结构类似于磁浮子液位计。一根硬管或柔性管从罐顶通到底部，带磁钢的浮子沿波导管随液面上下移动。测量时，电流脉冲在磁浮子位置的导管内的波导管上激发出一个应力脉冲，沿波导管以声速传播到顶部电子盒中的测量部，被转换成电脉冲。根据应力脉冲的传播时间可以测定出液面位置。如果有第二个浮子．适当选择比重，使其浮在油一水界面上，则同时能测出油一水界面位置。还可以根据要求在导杆长度方向安置五个温度传感器，可以测量五个点的温度。这对储罐精密计量特别有利。只要一台长量程数字型的磁致伸缩液位计(M-digital)，再加上一个精密压力变送器、PC机以及适当软件，就能组成一套HIMS(混合型)储罐计量系统。和用其他方法(伺服型)组成同类系统相比，成本低，安装方便，工作可靠性高。
磁致伸缩液位计除了浮子是可动部件外，其他均是固态电子组件，可靠性高，平均无故障工作时间(MTBF)可达27年(美国太空总署测定)。其主要缺点是目前最长工作长度仅为18m(柔性缆式)。除MTS外，美国K-Tek公司也有同类产品，但没有柔性缆式的。
另外，在加油站等卧式储罐中的液位计量几乎都是磁致伸缩液位计的天下。量程约3.8m以内，精确度在lmm以内，可以同时测量油位、油水界面及五个温度点，以数字方式与计算机或电子单元通汛。生产厂家较多。除MTS外，还有Veeder-Root、EMC0等公司，后两者是专门仿加油站计量系统的。

二、我国的物位仪表工业及市场
八十年代中期以来，随着我国经济的发展和自动化程度的提高，对物位仪表的需要在品种上及数量上都急剧增加。这时国外的物位仪表厂商看好中国市场，井开始进入。为了提高自己的生产能力，我国开始引进技术。
这时期是我国石油以及石油化工工业得到较大发展的时期，对物位仪表产生较大需求，一些乡镇企业抓住了这个机遇，发展了起来。
国外物位仪表公司与国内有关厂合资，主要是想借中方帮助进人中国市场，中方则希望通过合作提高自己的制造能力及产品性能，以及有可能通过返销进入国际市场。这几年的发展也证明了合资厂比国内企业更有生存能力。合资厂目前已开始组装简单的电子产品，如电容物位开关、音叉物位开关。较复杂的电子产品仍以代销为主，真正在国内生产的还是一些机械类产品，如磁浮子液位计及开关，阻旋开关等。这类产品机加工量大，国内加工成本可降低很多，并有能力做好。
九十年代以后，国内新建大型工程的自动化程度基本上与国际接轨，因此对超声，雷达，电容式，磁致伸缩等先进的物位仪表需求量大增，而且对产品的可靠性、稳定性．精确度等要求也更高。八十年代中的引进产品到九十年代末与国外同期产品相比已无先进性可言， 自行开发也难以在短期内见效。故这段时间的市场情况是高端产品基本上是由国外公司占领，中端产品由合资厂或上海自仪五厂等用组装方式来供货。低端产品大多是机加工量很大的产品，国外产品成本很高，故基本上是国内工厂供货。
在高端产品市场上，国内物位仪表行业并不是完全无所作为的。有一部分技术人员领衔组成的民营企业，自己开发并生产较先进的物位仪表，有些已有较好效果。如瑞普阿司克仪表公司生产的超声波物位计。航天智控工程公司生产的雷达物位计及磁致伸缩液位计、上海德中仪表公司生产的电容物位计、哈尔滨昊维科技公司生产的用于贮罐精密计量的磁致伸缩液位计等。这些产品目前在性能上还不能完全和国外产品抗衡，规模也较小，但在不断提高中，而且价格低廉，故在市场中已有一席之地。

三、结语
　　我国物位仪表市场发展空间较大，但市场分割的基本格局短期内不会有太大变化，一些高新技术产品近期主要还靠进口。由于国际上的大公司都已进军中国，所以竞争也会更激烈。国外大公司会尽快建立自己的销售网络，减少代理层次来使直接用户以更低的价格得到最新的产品，并得到更好的售后服务。另外也会更多地在国内组装或生产部件以降低成本。国内的企业除了少数如上海自仪股份、西仪股份等外，其余都会很快转为民营，可以平等的政策条件竞争发展。相信将和国外仪表工业发展过程一样。一批具有专业知识；又能在商海中学会经营管理的人创办的企业，最终能在竞争中胜出。他们的市场份额会逐步增加；产品的档次也会逐渐提高，完全有可能发展成为我国物位仪表的骨干企业
Saab雷达液位计在石化行业的部分应用

高玉进 新疆时代石油工程有限公司自动化仪表所工程师

在石化行业的炼制过程中，经常会碰到液化气球罐和沥青罐的液位测量，但由于液化气的介电常数εr＜1.9，而沥青由于粘度过大且其高温蒸汽容易在测量仪表上产生挂料现象，因此对这两种介质的测量一直以来没有一个很好的解决办法，这一问题已困扰用户多年。本文介绍的这种新型液位计——Saab雷达液位计，它就很好的解决了这些问题。

雷达液位计的测量原理

雷达液位计是由发射器头和天线部分组成，发射器以连续变化的频率向液体表面发送微波信号。当被反射的信号返回到天线时，它便与正在送出去的信号混合。由于发射器连续地改变被发射信号的频率，在发射与反射信号之间将会有 一个频率差。该液位计把这两个信号混合起来，产生了正比于至液体表面距离的低频信号。这信号可很精确地测量，能实现快速、可靠与精确的液位测量。

  Saab雷达采用一个最佳的微波频率10GHz，这就减少了对蒸汽、泡沫及天线 污染的灵敏度，并且使雷达波束保持狭窄，以最大限度减小来自罐壁与干扰物体的影响（如图1所示）。

Saab雷达液位计的主要特点

1．容易安装、无移动部件、无需维修。
2．精度高、可靠性最高。
3．超高灵敏度与独特信号处理特点可处理困难的工艺过程条件。
4．高度灵活性，发射器头与天线都有互换性。
5．广泛系列的天线与型式可在所有应用中提供最好性能。
6．用基于微软视窗的PC软件或经就地带键盘的显示器实现人－机对话式的设置。
7．输出为叠加于HART的4～20mA信号、数字式Profibus DP或TRL2现场总线信号。

Saab雷达液位计的应用
Saab雷达采用当代先进的微波技术达到高可靠性和高精度。它不但测量许多固料，而且还测量液体与浆料的液位。该计量仪表可操作在范围广泛的温度、压力、蒸汽气体混合物及各种工艺过程条件。主要应用包括：
1．化工与石化储存容器及工艺储罐
2．制药业反应器
3．食品与饮料制造业
4．炼油工艺容器
5．水及污水处理
6．水电力发电及水坝
7．水泥、粉末、木片屑及其它固料测量应用

在液化气球罐上的应用

液化气是石油产品之一，是由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体，其介电常数εr＜1.9，液化程度受温度、压力变化影响很大，因此对于传统的机械式液位测量仪表就无法准确的测量其液位。表1为不同液位测量仪表的比较：
表 1
 技术
与测量
介质接触
有可动
部件
高维护
工作量
受介质密度
黏度影响
可靠性
液位
精度
计量级雷达
无
无
无
无
高
高
过程级雷达
无
无
无
无
高
中
超声波
无
无
无
高
中
低
浮筒
有
有
有
高
低
低
伺服式
有
有
有
高
中
高
磁致伸缩
有
有
有
高
中
中
法兰压力变送器
有
无
无
中
中
中
电容式
有
无
无
中
低
低
 Saab的RTG3960雷达就是专用与液化石油气、液化天然气及轻烃等介质的液位测量，该雷达安装的导波管保证了雷达即使在液体表面沸腾的条件下也具有足够强的回波。作为一个选项，液位计可配备一个测量气相压力的压力传感器，这为得到高精度的液位起到了保证。
 在沥青罐上的应用
沥青由于其粘度高（运动粘度达到了1000mm2/s左右），易凝固，且在罐内由于高温（200℃左右）产生蒸汽易产生挂料现象，这就给液位的测量带来了困难，因此对这种情况的测量可以用间接的方法测得，例如利用多点温度测量来间接了解罐内液位的情况，但这种方法得到的液位并不是罐内液位的真实反应。
为了解决象沥青这样产品的液位测量，Saab开发出了抛物面天线的RTG3930雷达液位计，抛物面天线是对污染最不敏感的天线类型，这种设计型式能够使雷达波能量更集中于主力方向，减少了天线自身的回波，另外该天线型式的冷凝物自流除技术的应用，也使它很好的解决了象沥青这样介质的液位测量。

目前Saab雷达在中国石油克拉玛依石化分公司的液化气球罐及沥青罐上已有了良好的应用，在实际测量中，测量精度完全达到设计精度要求，满足了用户监测要求（图2）。

雷达液位计使用当中应注意的问题
1．液位计安装口的要求
为了使微波能够不受干扰地传播，液位计管嘴的尺寸应保持在针对不同天线所规定的极限值内（见图3、表2）。 

为了得到最好的测量性能，建议天线的末端应在管嘴之外。见图4

2．自由空间的要求
按照图5说明，把液位计以这样的方式定位，即允许微波传播而没有来自罐壁的干扰。为实现最佳性能，应考虑下列建议：
（1）应力求避免在雷达波束中有障碍物。
（2）发射器的安装应远离进料口，因此口引发湍流工况。
（3）应选择尽可能大的天线，以确保天线的增益最大。