一种船用导波雷达液位的测量装置及测量方法

本申请涉及工业测量，具体涉及一种船用导波雷达液位的测量装置及测量方法。

背景技术：

1、目前，导波雷达液位测量技术是自动化生产中常用的液位测量技术之一，具有高精度和高抗干扰能力的优点，可应用于腐蚀、高温高压、粉尘等复杂环境下进行高精度液位测量，在民用核电、火电、石油化工和冶金等领域被广泛应用。

2、导波雷达液位测量技术主要基于电磁波的时域反射原理，导波雷达液位测量原理如图1所示，雷达信号收发装置1发射雷达波，雷达波沿着导波杆2传播，在导波杆2的起始点形成固定回波；当遇到待测工质3的液面时，因为待测工质3的介电常数大于此前传导介质(如空气)，从而形成液位回波。雷达信号收发装置1对固定回波、液位回波进行检测，并计算二者之间的时间差，根据雷达波的传输速度和蒸汽5的介电常数，可计算待测工质3的液位高度。

3、但是，导波雷达液位测量技术在实际应用的过程中，对于船用条件下的高温高压密闭容器如蒸汽发生器、核反应堆稳压器等，想要对其液位进行精准可靠的测量是十分困难的，主要原因在于：

4、其一，在高温高压、高饱和蒸汽的环境下，蒸汽的介电常数会随着温度和压力的变化而变化。蒸汽介电常数的变化会影响雷达波的传播速度，进而引起导波雷达的测量误差。其二，船舶自身行驶带来的液面晃动使得测量液位并不等于实际液位。其三，安装于高温高压密闭容器的导波杆，难以清理和维修，时间一长导波杆表面会产生大量附着物，进而影响雷达波的传播速度。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提一种船用导波雷达液位的测量装置及测量方法，在被测容器侧部安装测量筒，便于清理维护，并通过参照优化计算、密度差补偿和倾角补偿，测量出更高精度的液位数据。

2、为达到以上目的，采取的技术方案是：一种船用导波雷达液位的测量装置，配合雷达信号收发装置和导波杆测量待测容器内的液位高度，已知高度的测量筒，其竖向并排设置于待测容器外侧，且测量筒通过连通管连通于待测容器；所述导波杆从测量筒的顶壁插入，所述雷达信号收发装置设置于导波杆的顶端；

3、基准套环，其套设导波杆上，位于液面与测量筒顶壁之间，且基准套环与测量筒顶壁之间为设定高度；

4、所述雷达信号收发装置根据测量筒高度、设定高度、以及雷达波分别达到基准套环和液面的时间值计算得待测容器内的基准液位高度。

5、在上述技术方案的基础上，所述测量装置还包含若干设置于液面以下的温度传感器，其一个温度传感器设置于待测容器内，其余温度传感器设置于测量筒内不同深度处；所有温度传感器均与雷达信号收发装置相连，所述雷达信号收发装置还用于根据温度传感器测量得到的温度数据，对液位高度进行密度差补偿。

6、在上述技术方案的基础上，所述测量装置还包含两个分别设置于船体横向和纵向的倾角传感器，两个倾角传感器均与雷达信号收发装置相连；所述雷达信号收发装置还用于根据倾角传感器测量得到的横倾角和纵倾角，对液位高度进行倾角补偿。

7、本申请公开了一种基于上述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，包含以下步骤：

8、所述雷达信号收发装置测量得到雷达波到达基准套环、待测工质液面的两个时间值；

9、所述雷达信号收发装置根据测量筒高度、设定高度和两个时间值计算得到待测工质的基准液位高度。

10、在上述技术方案的基础上，所述导波杆轴线与测量筒的轴线同轴设置，且测量筒通过上下两根连通管连通待测容器，每根连通管的两端均垂直于测量筒侧壁和待测容器侧壁；所述待测容器内的基准液位高度hε的计算方法：

11、

12、其中，h为测量筒的已知高度，l0为基准套环与测量筒顶壁之间的设定高度，t0为雷达波到达基准套环的时间值，t为雷达波到达待测工质液面的时间值。

13、在上述技术方案的基础上，所述测量装置还包含三个设置于液面以下的温度传感器，其一个温度传感器设置于待测容器内，两个温度传感器设置于测量筒内不同深度处；三个温度传感器均与雷达信号收发装置相连，所述雷达信号收发装置还用于根据温度传感器测量得到的温度数据、以及连通管相对于待测容器、测量筒的安装尺寸，对基准液位高度进行密度差补偿。

14、在上述技术方案的基础上，所述密度差补偿后的液位高度hερ的计算方法：

15、

16、

17、其中，ρv为被测容器内的待测工质密度，通过被测容器内的待测工质的温度查表获取；为测量筒内待测工质的平均密度，b为下方连通管到测量筒底部的已知高度，h0为下方连通管到待测容器底部的已知高度，x1为测量筒内一个温度传感器到下方连通管的已知高度，x2为测量筒内另一个温度传感器到下方连通管的已知高度，ρx1、ρx2分别为雷达信号收发装置根据测量筒内两个温度传感器测量得到的温度查表得到的相应密度。

18、在上述技术方案的基础上，倾角补偿后的液位高度hερθ为

19、hερθ＝hερ-dcosφtanθ；

20、

21、其中，θ为待测容器轴线相对于铅垂线的角度，α为倾角传感器测量得到的船体纵倾角，β为倾角传感器测量得到的船体横倾角，φ为测量筒和被测容器俯视中心连线与航行垂线之间的夹角，d为测量筒轴线和被测容器轴线之间的距离。

22、在上述技术方案的基础上，所述倾角补偿后的液位高度hερθ的测量精度可达±1mm。

23、在上述技术方案的基础上，所述倾角补偿后的液位高度hερθ以4-20ma的电流信号向外输出。

24、本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

25、本申请的测量装置及测量方法，通过测量筒间接测量待测容器内的液位高度，测量筒设置于待测容器外侧，便于及时拆卸导波杆进行清理维护，使得液位测量不受导波杆附着物的影响；

26、相对于现有的导波雷达液位测量技术通过雷达波的真空传播速度结合待测工质的蒸汽的介电常数计算液位高度，本申请的测量装置，彻底避开了介电常数，彻底绕开了蒸汽的介电常数会随着温度和压力的变化而变化的问题，能够测量出更高精度的液位数据；

27、进一步地，还能对液位高度进行密度差补偿和倾角补偿，消除了因为间接测量引发的误差，同时满足了便于清理维护导波杆和提高液位高度测量精度，还解决了现有技术中船舶晃动测量液位不准的问题；提高测量的适应能力，不受介电常数的影响，也不受船舶摇晃的影响，能够大大提升液面高度的测量精度。

技术特征：

1.一种船用导波雷达液位的测量装置，配合雷达信号收发装置(1)和导波杆(2)测量待测容器(4)内的液位高度，其特征在于：

2.如权利要求1所述一种船用导波雷达液位的测量装置，其特征在于：所述测量装置还包含若干设置于液面以下的温度传感器，其一个温度传感器设置于待测容器(4)内，其余温度传感器设置于测量筒(10)内不同深度处；所有温度传感器均与雷达信号收发装置(1)相连，所述雷达信号收发装置(1)还用于根据温度传感器测量得到的温度数据，对液位高度进行密度差补偿。

3.如权利要求1所述一种船用导波雷达液位的测量装置，其特征在于：所述测量装置还包含两个分别设置于船体横向和纵向的倾角传感器，两个倾角传感器均与雷达信号收发装置(1)相连；所述雷达信号收发装置(1)还用于根据倾角传感器测量得到的横倾角和纵倾角，对液位高度进行倾角补偿。

4.一种基于权利要求1所述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

5.如权利要求4所述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，其特征在于，所述导波杆(2)轴线与测量筒(10)的轴线同轴设置，且测量筒(10)通过上下两根连通管(11)连通待测容器(4)，每根连通管(11)的两端均垂直于测量筒(10)侧壁和待测容器(4)侧壁；所述待测容器(4)内的基准液位高度hε的计算方法：

6.如权利要求5所述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，其特征在于：所述测量装置还包含三个设置于液面以下的温度传感器，其一个温度传感器设置于待测容器(4)内，两个温度传感器设置于测量筒(10)内不同深度处；三个温度传感器均与雷达信号收发装置(1)相连，所述雷达信号收发装置(1)还用于根据温度传感器测量得到的温度数据、以及连通管相对于待测容器(4)、测量筒(10)的安装尺寸，对基准液位高度进行密度差补偿。

7.如权利要求6所述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，其特征在于，所述密度差补偿后的液位高度hερ的计算方法：

8.如权利要求6所述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，其特征在于，倾角补偿后的液位高度hερθ为

9.如权利要求8所述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，其特征在于，所述倾角补偿后的液位高度hερθ的测量精度可达±1mm。

10.如权利要求8所述船用导波雷达液位的测量装置的测量方法，其特征在于：所述倾角补偿后的液位高度hερθ以4-20ma的电流信号向外输出。

技术总结
本申请公开了一种船用导波雷达液位的测量装置及测量方法，工业测量技术领域，已知高度的测量筒，其竖向并排设置于待测容器外侧，且测量筒通过连通管连通于待测容器；所述导波杆从测量筒的顶壁插入，所述雷达信号收发装置设置于导波杆的顶端；基准套环，其套设导波杆上，基准套环与测量筒顶壁之间为设定高度；所述雷达信号收发装置根据测量筒高度、设定高度、以及雷达波分别达到基准套环和液面的时间值计算得基准液位高度。本申请的测量装置及测量方法，在被测容器侧部安装测量筒，便于清理维护，并通过参照优化计算、密度差补偿和倾角补偿，测量出更高精度的液位数据。

技术研发人员：沈希希,李良,杜恩武,窦峥
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14