物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况

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。

   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，

表1 锥形喇叭天线尺寸与波束角关系

    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。

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

      1.微波物位计在下列领域的应用中，技术上有优势。

      2.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.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）

      4.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。

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

位仪表高端产品的主要供应商。

    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）