雷达、超声波与导波雷达：物位传感器比较

物位测量技术比较：雷达、超声波与导波雷达

选择物位测量技术时，应考虑介质、容器几何形状、压力、温度、泡沫、所需不确定度和检修条件。非接触式雷达、导波雷达、超声波和差压各有适用场景及不同限制；没有一种技术对所有罐体都是最佳选择。

物位测量方法比较

应针对实际候选型号，比较所需量程、安装后的测量精度、工艺额定参数、安装要求和成本。

80 GHz 非接触式雷达

FMCW 雷达在规定频段内扫频，并根据信号接收结果计算距离。载波频段、扫频带宽和处理方式因型号而异；并非所有工业 80 GHz 仪表都恰好采用 76-81 GHz。

当罐壁或内部构件限制测量路径，或不宜接触介质时，聚焦型非接触式雷达是一种可用方案。应检查安装短管兼容性，以及所需的工艺和卫生等级。

需检查的限制包括：致密或湿润泡沫、天线沉积物、较弱的介质回波、不合适的安装短管几何形状，以及工艺额定参数。专门设计的 80 GHz 固体雷达可用于多粉尘、长距离测量；频率本身并不构成粉尘或量程限制。

典型应用：化学反应器、食品饮料容器、制药罐、小型日用罐、水及污水处理、OEM 撬装设备。

26 GHz 非接触式雷达

可采用 26 GHz 脉冲雷达或 FMCW 雷达，通常配用喇叭天线。

当天线、量程、工艺限制、信号裕量和报价适合该容器时，可评估采用此方案。26 GHz 仪表并非天然就是长距离或多粉尘工况的唯一选择。

对于波束角为 10° 的天线，在 20 m 距离处，波束几何覆盖直径约为 3.5 m。在窄罐或低反射能力介质工况中，应检查罐壁净距、安装短管几何条件及可用的表面回波。

典型应用：水泥和矿物料仓、大型储罐、蓄水池。

导波雷达（TDR）

低能量脉冲沿杆或缆向下传播，并在介质表面引起的阻抗变化处反射。根据传播时间可求得距离。

对于适用的起泡、低反射能力介质或空间受限工况，可评估导波雷达，但须满足探头选型、工艺兼容性、机械载荷及上部和下部过渡区的要求。

探头附着物、架桥，以及搅拌或固体运动产生的力，都可能限制导波测量。探头和过程连接还必须满足清洗和材料要求。

典型应用：起泡反应器、液化气体、小型加药容器、分离器界面测量。

超声波

超声波换能器测量声波往返时间。换算距离时，需要知道气体传播路径上的声速。应检查该型号的温度补偿功能及其限制；单点温度读数未必能够反映较大的温度梯度或不断变化的气体组成。

对于清洁、敞口或通气的罐体，如果测量距离适当且气体条件稳定，超声波仪表可能是一种经济的选择。

泡沫、蒸汽、粉尘、真空、温度梯度和表面扰动都可能削弱声波回波或使其失真。

典型应用：水罐、集水坑、简单化学品储存、污水渠道。

差压

在适当的参考布置下，可根据静液压推算液位：delta-p = 密度 x g x 高度。在密闭容器中，应考虑气相空间压力，以及湿式引压管或远传密封装置的影响。即使压力测量本身正确，密度变化仍会改变液位换算结果。

对于能够可靠管理密度和压力连接的液体容器，差压是一种可选方案。

需检查的限制包括：密度变化、引压管堵塞、湿式引压管或密封装置温度的影响，以及材料兼容性。真空工况需要适当的 DP 仪表、密封装置和安装设计；真空本身并不意味着必须排除 DP 测量。

典型应用：锅炉给水、清洁工艺液体、高压容器。

电容

电容系统检测探头与适当对电极之间的电容变化；对电极可以是导电罐壁，也可以是独立的参考电极。对于非导电容器，应确认电极布置，并核实介质电导率、介电特性变化和附着物的影响。

在已明确探头布置和介电特性的情况下，电容可用于适当的连续物位或点位检测。

探头附着物和介电特性变化可能影响响应，因此校准必须与介质及运行条件相匹配。

浮球与磁性液位计

浮球随液面移动；磁耦合将位置传递至指示器或干簧管开关阵列。

在适用的清洁液体中，浮球和磁性液位计可提供就地指示或阈值信号，包括需要无源目视指示器的应用。

在黏稠或易积垢工况中使用浮球或磁性液位计前，应检查浮球与介质密度的匹配、运动部件、沉积物以及检查可达性。

制定应用技术要求时需回答的五个问题

1. 罐内是加压还是真空？应检查所选仪表的压力额定值和气体传播路径限制。常规通过气体传播的超声波不适用于真空；如果型号的额定条件允许，适度正压本身并不构成一概排除的理由。
2. 是否存在泡沫或强烈表面扰动？应针对实际雷达或探头，比较目标可识别性和积垢风险；复杂工况应进行试验。
3. 介质在整个运行范围内的介电特性如何？回波较弱时，应比较实际雷达灵敏度、天线、测量距离及导波探头方案。不存在一个适用于所有容器的介电常数分界值，可据此直接选定技术。
4. 罐体宽度与高度的比例如何？应计算波束净距，并检查内部构件和安装短管几何条件。窄波束雷达或导波探头可以作为候选方案，但两者都不能免除具体型号的安装限制。
5. 该应用需要多大的安装后总测量不确定度、怎样的响应时间及哪些认可？应根据库存计量、工艺、贸易交接或安全用途确定这些要求，而非统一规定毫米级指标。

采购技术要求中应包含的细节

• 比较采购成本时，应同时考虑安装、隔离、检查、清洗、验证和停机要求。应依据现场维护记录，而非为每种技术假设维护周期。
• 随容器图纸提供安装短管内径、长度和天线位置；这些尺寸可能决定所提议的雷达布置是否适用。
• 规定诸如 ±3 mm 的精度时，应说明测量参考基准、所需量程和验证方法。
• 明确所需的输出和诊断功能。带 HART 的 4-20 mA 变送器、Modbus 仪表和独立点位开关，分别满足不同的系统集成需求。
• 对于复杂雷达测量工况，应询问所提议配置能够提供哪些应用证据、回波诊断及调试支持。

五年总拥有成本

五年成本比较应采用供应商报价、安装估算和现场维护记录，包含以下成本类别：

不存在通用的成本排序。清洁且通气的集水坑可能适合超声波测量；复杂工艺则可能有理由采用其他仪表。应针对实际用途，计算包含安装在内的完整生命周期成本。

点位检测与连续物位测量

连续测量变送器报告物料量或物位，而点位开关报告是否达到阈值。安全相关的防溢保护可采用经认可的连续测量传感器或点位设备；所需的独立性、诊断、验证测试和最终动作应遵循风险评估与安全设计。

界面测量

测量油水界面不能只检测最上方表面。当上层介质能够透过足够能量，且两种介质的介电差异足以形成可用回波时，导波雷达可以作为候选方案。应验证上层液体厚度、组成、乳化情况、探头设计及仪表支持的界面功能。不能认为自由空间物位变送器或所有导波型号都能同时报告液面和界面。

常见问题

问题1. 雷达和超声波哪个更准确？

应将候选型号的规格与所需的安装后测量不确定度进行比较，不能只看技术名称。例如，按量程跨度的 0.25% 计算，10 m 对应 25 mm，但应先确认数据表将误差定义为量程跨度、测量范围还是读数的百分比。现场验收应计入安装、参考基准和工艺条件的影响。

问题2. 雷达可以替代加压罐上的差压测量吗？

有时可以，前提是雷达的额定条件适用于该压力、温度、介质和连接方式。雷达无需利用密度将静液压换算为液位，但仍需要合适的信号路径，并验证其在气相空间中的测量表现。改造还会影响隔离、维护、安全功能和验收程序，不能仅视为传感器替换。

问题3. 导波雷达比非接触式雷达更好吗？

自由空间回波不可靠时，导波雷达可能有所帮助，但它引入了接液探头和机械限制。附着物、架桥、探头受力和过渡区都可能使其不适用。对于泡沫或低反射能力液体，应比较实际探头设计和应用证据，不能认为导波雷达始终表现更好。

问题4. 80 GHz 雷达总比 26 GHz 雷达贵吗？

频率不能决定价格。应比较过程连接、材料、认可、输出和服务范围相当的报价，并计入安装和维护成本。价格较低的仪表可能需要更多短管改造或清洗通道工程，而较高的初始价格也不能证明其更适用。

问题5. 贸易交接计量应遵循哪些要求？

应选择满足介质及所在司法管辖区所要求的认可和不确定度的系统。雷达或伺服液位计可以作为候选方案，但传感器只是物料量测量链的一部分。在将读数作为贸易交接量之前，必须明确罐容标定、温度、密度和可追溯性要求。

问题6. 是否需要 SIL 认证？

如果该测量属于安全仪表功能的一部分，应由安全要求确定目标安全完整性及可接受的设备证明材料。仅有变送器证书，不能证明传感器、逻辑解算器和最终执行元件共同达到的安全完整性。对于仅作指示的用途，不应简单地用 SIL 要求替代精度要求。

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