由上圖知道，如果同軸電纜與其他介質(zhì)相接觸，由于介電常數(shù)（這里用rε 來表示）是不同的，會使相接觸部分的等效阻抗發(fā)生一定變化。當(dāng)同軸電纜的某一端發(fā)射出脈沖信號時，脈沖信號會沿電纜進(jìn)行傳輸。如果傳輸中沒有與其他介質(zhì)的接觸時，那么對應(yīng)的負(fù)載阻抗和電纜的特征阻抗相等，那么脈沖會被吸收因此沒有回波信號產(chǎn)生；如果發(fā)生與其他介質(zhì)的接觸時，那么對應(yīng)的負(fù)載阻抗就會發(fā)生變化，使之和特征阻抗不相等，就會產(chǎn)生回波信號。

這里定義一個反射系數(shù)為 ρ ，它是反射信號與發(fā)射信號的幅度的比值，我們用它來用來表示負(fù)載阻抗和特性阻抗的關(guān)系。

其中：tZ 表示任意一點(diǎn)的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各種情況時阻抗和反射系數(shù)的不同如下所示：1．當(dāng)同軸電纜傳輸正常時，那么t cZ =Z

， ρ =0 ，發(fā)射脈沖會被吸收，沒有回其中：tZ 表示任意一點(diǎn)的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各種情況時阻抗和反射系數(shù)的不同如下所示：

1．當(dāng)同軸電纜傳輸正常時，那么t cZ =Z ， ρ =0 ，發(fā)射脈沖會被吸收，沒有回

圖 2-2 斷路回波信號示意圖

3．當(dāng)同軸電纜傳輸短路（即為與其他介質(zhì)接觸時）時，那么tZ =0 ， ρ = −1，同樣產(chǎn)生全反射，但是短路回波信號和發(fā)射信號具有相反的極性，短路回波示意圖如圖 2-3 所示。

圖 2-3 短路回波信號示意圖

當(dāng)脈沖信號在導(dǎo)波桿上傳輸時，如果碰上其他介質(zhì)就會使該點(diǎn)的阻抗變化，從而反射系數(shù)也會發(fā)生變化，會產(chǎn)生回波信號。我們可以進(jìn)一步計(jì)算發(fā)射脈沖和回波脈沖的時間差就能計(jì)算出發(fā)射電路到該介質(zhì)接觸點(diǎn)的距離。

導(dǎo)波雷達(dá)測量系統(tǒng)原理：

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)就是時域反射原理來進(jìn)行測量的，測量過程我們分為信號傳播和整個測量系統(tǒng)來作介紹。

導(dǎo)波雷達(dá)信號傳播示意圖如圖2-4所示。

在機(jī)械機(jī)構(gòu)上，儀表的表頭內(nèi)部的收發(fā)電路會通過同軸射頻接插件和同軸電纜相連。同軸電纜的另一端將會在法蘭的位置與同軸導(dǎo)波桿連接。導(dǎo)波桿則是直接插入到罐體的介質(zhì)內(nèi)，導(dǎo)波桿的末端與罐底底部則是有一段距離的。

根據(jù)左圖可以看到，電路板輸出的脈沖信號會通過同軸電纜，再在同軸導(dǎo)波桿上進(jìn)行傳播。由2.1節(jié)的介紹，在同軸電纜和導(dǎo)波桿的連接處會首先發(fā)生斷路，進(jìn)而一部分信號會產(chǎn)生一個頂部回波信號，但是仍有一部分信號還會繼續(xù)沿導(dǎo)波桿傳播。當(dāng)信號與被測液體表面接觸時，其阻抗特性會發(fā)生變化，其一部分也會被反射，會再產(chǎn)生一個真正的液位回波信號。也會有另外一部分信號仍然會繼續(xù)向下傳播，終會損耗在不斷發(fā)射中。液位計(jì)可以判斷出液位回波和頂部回波之間的時間差，根據(jù)這個時間差，我們用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算就可以得到液位的高度。

根據(jù)右圖所示，在罐體為空的時候，沒有液位就不會發(fā)生液位回波信號，但是仍然會有頂部回波信號，而且在導(dǎo)波桿的底部會斷路而產(chǎn)生一個的底部回波信號‘。

假如罐體內(nèi)有兩種不同的介質(zhì)，由于密度不同這兩種介質(zhì)會分別存在于液體的上部和下部。如果這兩種介質(zhì)的介電常數(shù)大不相同，那么就可以通過回波的不同來判斷兩種介質(zhì)的分界面，進(jìn)而也可以得出這兩種介質(zhì)的不同高度。由于脈沖信號是通過導(dǎo)波桿傳播，導(dǎo)波桿上的空氣、氣態(tài)的凝結(jié)不會影響性能，因此可以長時間測量低介電常數(shù)的產(chǎn)品。一般情況下被測液體的介電常數(shù)越大回波信號也就越強(qiáng)，也就更容易檢測出液位，比如水比丁烷更容易測量。

假設(shè)電磁信號在介質(zhì)中傳輸無損耗，則信號在其中的傳播速度可以表示為:

其中:c為電磁波在真空中的傳播速度(3x10八立方米m/s）。

Y為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，

從為同軸電纜的相對磁導(dǎo)率(大多數(shù)液體其近似等于l}o

我們可以得到:

若電磁波在同軸導(dǎo)波桿上的傳播距離為L，那么回波信號的傳播時間為:根據(jù)這個實(shí)際傳播速度結(jié)合時間就可以計(jì)算出液位[[19]。因此，的深度:

L可以表示為液位因罐體高度為H，后得到的液位高度為:

h=H一L導(dǎo)波雷達(dá)測量系統(tǒng)示意圖如圖2-5所示。

圖中為整個導(dǎo)波雷達(dá)測量系統(tǒng)，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)發(fā)送的是窄脈沖信號，對剛性桿大測量范圍為6.1 m，柔性桿為大范圍則為30m。在實(shí)際測量中，在量程的上部和下部都會存在一段死區(qū)，分別為上部死區(qū)和下部死區(qū)，其長度分別為Lz和L,，這兩個死區(qū)的特性是非線性的，所以造成測量誤差會偏大。我們把上部死區(qū)的低點(diǎn)定義為上參考點(diǎn)，用它來代表液位的滿點(diǎn)(zui高可測點(diǎn))和20mA輸出電流。下部死區(qū)的zui高點(diǎn)則定義為下參考點(diǎn)，用它來代表液位的零點(diǎn)(低可測。

點(diǎn))和4mA輸出電流。在導(dǎo)波桿末端到罐底的距離為L。

由此，在實(shí)際應(yīng)用時，液位的計(jì)算需要考慮到上部死區(qū)和下部死區(qū)的因素。在液位顯示時需要加上桿末端距離罐底的距離L。和下部死區(qū)的高度L1 [21] o

一般液位測量時只需要測量一定范圍內(nèi)的高度，即有效量程為兩個死區(qū)之間的高度，也叫線性區(qū)。

在罐體內(nèi)實(shí)際顯示的液位高度(即以下參考點(diǎn)作為零點(diǎn))為:

hD = h一L。一L, 這里L(fēng)+L、是液位的整體遷移量。

本章主要是對導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行了理論分析，首先介紹了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量所需要的時域反射原理，接著詳細(xì)講述了導(dǎo)波雷達(dá)測量系統(tǒng)的原理，后則概括了本課題所設(shè)計(jì)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能和特點(diǎn)。

什么是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)|導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)工作原理

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