导波雷达液位计测量原理技术

  导波雷达液位计是一种采用直接接触的方式将传感器探头浸入被测介质进行测量的液位仪表。其工作基于时域反射原理，电路部分产生发射信号沿导波传感器传输，遇到阻抗不连续处发生反射，通过计算两者间的时间差可以得到待测液位。作为信号传输载体的传感器分为同轴杆式和双缆两种形式，可将其等效为同轴线，根据电磁波在同轴线上传输的理论对其进行建模，求解其***佳的内外径比例，依此指导传感器的设计。 
  液位测量的实质是发射信号与反射信号之间时间间隔的测量，可分为等效时间采样和直接采样两种。等效采样是在若干个周期内完成对接收信号的采样，实施的关键在于产生稳定的步进延时采样信号，对发射脉冲的宽度要求不是很苛刻。而直接时间间隔的测量方式中，需要对接收到的信号进行即时采样，其难点在于皮秒级窄脉冲的产生及高精度的时间间隔测量，以下探讨两种方式的关键理论及核心技术。 

1、时域反射理论：

  其中 c 是真空中光速，为相对介电常数，而相对磁导率r 在大多数材料中是一单位量。相应的时间 t 取决于待测量长度 D 上时域反射信号的往返时间，即  （2-2） 公式 2-2 表明，时域反射信号的单程时间与包括探头在内的介质的特性，也就是相对磁导率之间有直接的依赖关系。反射信号幅度与原始发射脉冲幅度的比值表征了反射系数    ，定义如下 

  其中LZ 是一类负载阻抗，0Z 是同轴电缆的特征阻抗，典型值为 50Ω。此外，对于每种类型的阻抗不连续，其反射的电压波形是的，因此很容易判别介电常数引起的阻抗变化。同轴电缆和同轴导波杆为信号的传输载体，可将其等效为传输线。根据传输线理论，其等效电路如图 2-1 所示，由很多相同的部分组成，其中每部分都是由串并联的阻容、电抗等元件构成。由于构成传输线的导体有电阻，导体之间的介质有漏电导，因此实际的传输线是有损耗的。严格的说，有损均匀传输线上的波并不是横向电磁波，传输线的特征阻抗为 

图 2-1  传输线模型 

图 2-2  断路时的反射情况 

图 2-3  短路时的反射情况 
 ④除短路和断路以外的阻抗不匹配，信号部分反射，反射信号的幅度小于前两种情况的幅度。 

图 2-4  阻抗不等时的反射情况 
  根据反射信号的极性可知同轴线发生了什么样的阻抗突变，通过测量发射信号与反射信号的时间差，就可以准确定位发生阻抗突变的位置。图 2-5 示出了导波雷达液位计的测量方法，基于该原理，若存储被测液体的罐体高度为 H，则计算出发射信号与回波之间的时间差，用该时间差乘以空气中电磁波的速度 c，即可计算出到液体上表面距离罐体顶部的高度，用罐体的整体高度减去该距离即可得到罐体中被测液体的液位高度 h，可用公式 2-5 描述 

图 2-5  测量原理示意 

2、等效采样技术:
  由于导波雷达液位计的发射信号和回波信号的频率较高，如果直接对接收到的回波进行采样，势必会增加信号调理电路的复杂性。因此必须寻求简化信号采样电路的实现方法，用常规的器件和电路降低系统的复杂性和成本，等效采样便是适用于高频宽带模拟信号处理的***佳方法。 
  根据奈奎斯特采样定理，为了能够完整的重建原波形，采样频率应至少为信号***高频率的两倍。若被采样的信号的频率较高，则会对实时采样提出更为苛刻的要求，譬如使用采样率更高的数据转换器，而这样的器件或者价格过于昂贵或者难以获得。而等效采样不拘泥于采样定理的限制，可以恢复频率远高于采样极限频率的信号，是信号测量频带扩展的常用方法。 
  设待采样信号 ft的周期为 T，采样信号的周期为 T t   。将原信号在时间轴上扩展后，等效输入信号可表示为 

图 2-6  等效采样示意图

3、超宽带技术：
  导波式雷达液位计对回波直接进行测量的前提是产生脉宽极窄、频谱较宽、幅度足够的窄脉冲作为发射信号。窄脉冲的性能，如脉冲的宽度和幅度直接影响系统的分辨率，测量死区的大小和测量范围。 
  超宽带信号虽然频带很宽，然而由于脉冲极窄致使其占空比非常小，功率谱密度特别低，不会对系统造成干扰。在硬件实现上，不需要载波因此收发电路较为简单，避免了前端设计的复杂性。因此在定位和距离测量领域有明显优势。超宽带技术通过亚纳秒级的脉冲序列组成的基带信号进行信息的传输，因此脉冲波形的选择非常重要。由于高斯脉冲在时域和频域都有良好的分辨率，实现简单，因此在超宽带系统中普遍采用高斯脉冲作为发射信号。      
  为了利用超宽带技术进行测量，产生的脉冲必须满足脉宽足够窄，将脉冲宽度压缩至纳秒以下，才能实现良好的超宽带性能。可以选择雪崩晶体管、阶跃恢复二极管、发射级耦合逻辑等模拟方法或是采用数字电路可以产生对幅度适宜的窄脉冲，该部分将在第四章进行详细阐述。 

4、时间间隔测量技术：
  时间间隔的测量除了传统的计数法，模拟内插法等方法外，借助可编程逻辑器件的实现逐渐成为一种趋势，如可编程延时线，时间数字转换等方法，随着精度不断的提高，有着广阔的应用前景。 
  直接计数法测量范围广，实现简单且实时性好，但存在时标和原理误差，精度不高。模拟内插法精度可达皮秒级，然而存在电容充放电引入的非线性，限制了其测量范围。延迟线法结构简单，可以利用 FPGA 在单片集成，早期精度仅能达到几百皮秒的量级，目前供应商已能提供分辨率低至 10ps 的可编程延时线芯片。 

图 2-7  延迟线内插法时间间隔测量原理 
  以上所述的时间间隔测量方法中，一些传统的方法难以集成，且对环境较为敏感，易受各种干扰的影响。因此，数字的方法成为主流的信号时间扩展方法。本文设计的后续版本的液位测量系统利用时间数字转换的原理，或采用现有的TDC芯片或设计小规模专用集成电路以完成时间间隔的测量。  

结语：本章介绍了导波雷达液位计实现的理论基础，时域反射是导波雷达液位计的工作原理，市面上现有的导波雷达液位计产品毫无例外的采用了这项技术。而对回波信号的处理则有两种方案，即等效采样和直接采样。等效采样使液位计回波信号的处理变得容易，同时减少了电路实现的复杂性进而降低了产品的成本。***后探讨了对回波进行直接采样的理论基础。