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披,微被传播到不同相对介电率的物料表面时会产生反射,并被天线所接收。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,而微植物位计可以使用。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,并接收物料面回披,同时对回披信号进行分析处理,确认有效回波,据之计算物位。精确度约为0.2~0.3%F.S.。一般中档以下的微植物位计都用此方式。原来生产起声物位计的厂家大多采用此方式生产微植物位计。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披,当回波被天线接收到时,天线发射频率已经改变。根据回波与发射肢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,一般较高端的产晶都采用此方案。
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ε1＞4,精密型的可低至ε2＞2。ε1＞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ε1低的介质,如:液化气等,就得不到稳定的测量结果,必须加导披管来集中能量。
另外,大多数脉冲式微披物位计采用的微披频率为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披,使接收回被复杂,难以确认液面回披。在卧式罐或拱顶罐内使用时,由于顶部会对反射、披产生聚焦效应,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,故大多数微披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)的微波物位计,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(ε1〉1.7)。由于内置了先进的回披处理软件,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
导旋式微植物位测量技术是微披物位计的一种变型,英文名称是TimeDomainReflectometry(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。微披脉冲沿杆或缆的外侧向下传播,在被测物料表面上被反射,回披被天线接收,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。
和微波物位计一样，反射信号的强度取决于被测物料的介电率或导电率。但导波式可以测量更低介电率的物料。其导波体由单根的金属杆或缆、或现金根或两根平行的杆或缆、或同轴管构成。
双杆(缆)及同铀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(ε1＞.5)。但在杆之间(或管内部)容易积料,积料上会产生虚假回液,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。而导旋式价格低,工作更稳定,安装也方便。
(2)同时测量油罐中的泊位及油一水界位或类似场合。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、高压的准位测量。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。现导披式微披物位计己能做到耐高压34.5MPa(在20℃时)。同时耐高温高压的可达到200℃(在29MPa时),及450℃(在13.5MPa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
超声被测量物位主要利用回披测距原理,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RemoteI/O、ModbusRTU、Devicenet,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。还开发了专门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;根据不同时间段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。
4.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于被位计,它是用恒力弹簧来平衡浮子重力的自力式浮于液位计,除了就地指示外,还可将被位信号电传,精确度约2-3mm,不能达到计量级的要求(lmn),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1mm,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于液位计,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,但浮子跟踪擅位还是靠被位变化引起的浮于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1mm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,但未投入生产。
(2)计量级微搜液位计:瑞典Saab公司较早就推出了声称达1mm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＋H公司也推出了带平面及抛物面天线的micropilotS系列雷达,声称也能达到1mm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、调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或0.5mm(两者取其大者)。仪表结构类似于磁浮子被位计。一根硬管或柔性管从罐顶通到底部,带磁钢的浮子沿披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-digtai）,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讯。生产厂家较多，除MTS外，还有Veeder-Root、EMCO等公司，后两者是专门做加油计量系统的。
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,并开始进入。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入中国市场,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,如磁浮子被位计及开关、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吉,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,国外产晶戚本很高,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、哈尔槟吴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,一些高新技术产晶近期主要还靠进口。由于国际上的大公司都已进军中国,所以竞争也会更激烈,国外大公司合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。