基于辐射的水准仪与声波频率型液位计

一整类液位仪表装置基于材料反射或吸收辐射的倾向。对于连续水平测量仪，较常用的辐射类型是雷达微波，超声波和核。光电磁辐射也可以使用，但这已经找到了主要的方法

点开关应用将在下一章中讨论。

基于辐射的液位计的主要优点是没有活动部件，并且能够在不与过程流体物理接触的情况下检测水平。因为它们实际上可以通过固体罐壁“看到”，核辐射计可能是非接触式传感的终极。因为它们需要伽马辐射源并且相对昂贵，所以核计量器通常被认为是较后的水平计。

雷达和微波炉

1925年，美国海军的A. Hoyt Taylor和Leo Young使用雷达（RAdio Detection and Ranging）来测量地球电离层的高度。到1934年，他们正在为海军舰艇开发雷达。1935年，英格兰的罗伯特沃森瓦特使用雷达探测飞机。第一批雷达液位传感器于1976年推出，但直到十年后它们才具有经济竞争力。

雷达信号和微波都以光速传播，但它们的频率（FM无线电广播频率从88到108 MHz，而微波范围从1-300 GHz）和它们的功率水平（雷达大约0.01 mW）区分开来。  cm 2，而微波范围为0.1-5mW  cm 2）。由于微波工作在更高的能量水平，它们可以承受比雷达型传感器更多的涂层。

雷达传感器包括发射器，天线，带信号处理器的接收器和操作员界面。变送器安装在容器顶部。它的固态振荡器发出电磁波（使用选定的载波频率和波形），向下瞄准油箱中过程流体的表面。使用的频率通常为10 GHz。

信号由抛物面碟形天线或喇叭型天线（图9-1A）辐射到处理液表面（图1B）。一部分被反射回天线，在那里它被收集并路由到接收器。这里，微处理器计算飞行时间并计算水平。飞行时间是雷达脉冲的传输和返回回波的接收之间的时间段。它由雷达探测器确定，雷达探测器同时暴露于发射和反射信号。检测器输出基于差异。频率调制（FM）信号的变化范围为0到200 Hz，因为到过程流体表面的距离在0到200英尺之间变化。由于这种测量发生在频域，因此它可以合理地避免噪声干扰。

蒸汽空间的深度（基准点与水箱中的水平之间的距离，在图9-1B中标识为“d”）由飞行时间（t）和光速（c = 186,000）计算得出英里秒）：

通过计算总罐高（E）和蒸汽空间深度（d）之间的差值来计算水平（图9-1B中的L）：

知道蒸汽的信号速度（c）和介电常数（dc）（即蒸汽相对和反射电磁波的相对能力），可以计算出雷达波传播速度（V）：

天线设计和安装

两种常用的天线是喇叭和抛物面天线。当雷达液位计发出信号时，微波散开。天线直径越大，发散角越小，信号强度越大（图9-1A）。较小天线的缺点包括较高的光束扩散和相应增加的来自罐内障碍物的反射的可能性。从积极的方面来说，发射的光束更有可能被反射回探测器。因此，传感器的对准并不重要。

大型天线可产生更集中的信号，有助于消除平面和水平金属表面的噪声干扰。另一方面，它们更容易因湍流或倾斜表面的不需要的反射而产生误差。安装在水箱外部的完全隔离天线（图9-2和9-4）提供密封和隔热。如果天线位于过程密封下方，则它暴露在过程蒸汽中，但具有更强的信号幅度和更高工作压力的适应性。

接触式和非接触式雷达

非接触式雷达测量仪使用脉冲雷达波或频率调制连续波（FMCW）。首先，发送短时雷达脉冲，并使用渡越时间计算目标距离。FMCW传感器发出连续的频率调制信号，通常是连续（线性）斜坡。频率

传输和接收之间的时间延迟引起的差异表示距离。

雷达梁可以穿透塑料和玻璃纤维; 因此，非接触式雷达应变计可通过密封与工艺蒸汽隔离。密封件可以位于抛物面圆盘上方（图9-1A），也可以完全隔离传感器（图9-2A）。梁的低功率允许安全地安装在金属和非金属容器中。当工艺材料易燃或变脏以及蒸汽空间的成分或温度变化时，可以使用雷达传感器。

接触式雷达测量仪将一根脉冲沿线传送到汽 - 液界面。在那里，介电常数的突然变化导致信号被部分反射。然后测量飞行时间（图9-2B）。未反射的部分移动到探头的末端并提供零电平参考信号。接触式雷达技术可用于液体和粒度较大为20毫米的小颗粒固体颗粒。

反射型微波开关测量反射信号幅度的变化（图9-3A）。空气和蒸汽由于其低介电常数而返回一小部分信号，而高介电材料（如水）几乎返回所有信号。更灵敏的开关可以区分具有低至0.1介电常数差异的液 - 液或液 - 固界面。如果颗粒直径小于0.1英寸（大于发生过量的光束散射），则可以测量低介电材料，如塑料颗粒（电介质1.1）。

断路器开关将微波束从发射器发送到位于水箱另一侧的接收器。当光束被阻挡时，信号会减弱（图9-3B）。断路器对准并不重要，分离距离可达100英尺。

反射和光束断路器微波开关通常用于希望不穿透罐的应用中。这些非侵入式传感器通过塑料，陶瓷或玻璃窗或玻璃纤维或塑料罐壁发送电磁无线电波。

优点和局限

处理材料的反射特性影响返回的雷达信号强度。虽然液体具有良好的反射特性，但固体却没有。雷达可以检测到一层轻微灰尘或通风泡沫下的液位，但如果灰尘颗粒尺寸增大，或者如果泡沫或灰尘变厚，它将不再检测液位。相反，将测量泡沫或灰尘的水平。

内部管道，天线上的沉积物，多次反射或来自墙壁的反射都会干扰雷达传感器的正常操作。其他干扰源是鼠洞和固体桥接，以及成角度过程

可以将雷达波束反射离开接收器的材料表面。

与其他辐射反射传感器相比，雷达具有一些优点。例如，超声波传感器受蒸汽空间的组成影响。另一方面，超声波传感器在脏污应用中表现更好，或在颗粒尺寸大于20毫米时表现更好。

超声波液位计

超声波液位计的起源可以追溯到用于通过发射空壳测量井深度并测量回波返回的红外测量仪。用于海军导航的SONAR探测器也早于该原理的工业应用。

可听声音的频率范围为9-10 kHz，略低于工业级应变计使用的20-45 kHz范围。超声波脉冲的速度随着其行进的物质和该物质的温度而变化。这意味着如果声速用于测量水平（距离或位置），则必须知道其行进的物质，并且必须测量和补偿其温度变化。

在室温下，大气中的声速为340米秒或762英里小时。在相同温度下，超声波脉冲以1,496米秒或3,353英里小时的速度穿过水。如果空气加热到100°C，声速会升至386 m  s。实际上，声速与温度的平方根成正比。在接近环境温度下，每增加1°C，速度上升0.6 m  s，相当于增加0.18％°C。

超声波液位开关（点传感器）通过检测超声波振荡的衰减或通过检测超声波脉冲的吸收或传输来操作。超声波液位变送器通过发出超声波脉冲并测量接收反射回波所需的时间来测量实际距离。

超声波传感器

产生超声波脉冲的换能器通常是压电的，尽管过去也使用静电单元。静电传感器由薄而柔韧的镀金塑料薄膜构成，在铝制背板上伸展，并由片簧固定。这种设计用于早期的宝丽来自动对焦相机，仍然在清洁环境中使用。压电换能器利用

陶瓷或聚合物晶体以其固有频率振动。这些装置坚固耐用，可承受1200 psig的冲洗压力，符合NEMA-6P（IEC IP67）标准。

通常，换能器的直径越大，范围越长，频率越低。这是因为，在释放超声波脉冲之后，换能器需要时间来振动。振荡频率与元件的直径成反比，因此较小直径的换能器元件产生较高的频率。标准传感器的光束角约为8°，NPT中的连接尺寸介于2.5和2.5之间，适用于-20至60°C（-30至140°F）的工作温度。精度通常在全范围的0.25-0.5％之内，较高可达30英尺。输出通常为4-20 mA，具有12安培的继电器输出。

电平变送器配置

超声波液位传感器组件可由单独的发射器和接收器元件组成（图9-4A）。然而，大多数情况下，单个传感器以规则的间隔开启和关闭以监听反射回波（图9-4A）。当安装在水箱顶部时，传感器会检测到蒸汽空间的深度。为了确定液体的体积，需要准确了解罐的横截面形状。

如果需要直接测量液柱的高度，可将传感器安装在水箱底部（图9-4A）。但是，这种配置会使换能器暴露在过程流体中，并限制了维护的可及性。或者，换能器可以安装在容器底部壁的外侧，但是超声波脉冲很可能通过罐壁的吸收和分散效应而大大削弱（图9-4A）。

由大颗粒和硬颗粒组成的滞留，未搅拌的液体和固体是良好的反射器，因此是超声波物位测量的良好候选者。绒毛，泡沫和松散的污垢是不良的反射器，并且蒸气空间中的灰尘，雾气或湿气倾向于吸收超声波脉冲。超声波信号也被距离衰减。如果44-kHz声波在干燥，清洁的环境空气中传播，则每米行进距离的声功率会下降1-3分贝（dB）。因此，重要的是，尤其是在测量更大的深度时，换能器会产生强烈且聚焦良好的超声波脉冲（图9-4B）。

还希望表面平坦且垂直于声波。在液位应用中，瞄准角必须在垂直方向的2度范围内。如果表面被搅动或倾斜（如在固体的情况下），则回声可能被分散。因此，关键

成功的超声波液位传感器装置是仔细分析油箱内容物的反射，传播和吸收特性。

当检测两种液体之间的界面时，例如盐丘储存井中的碳氢化合物盐水界面，换能器下降到井底。超声波脉冲通过重盐水层向上发送到界面。回波返回所需的时间表示接口的位置（图9-4C）。

特殊功能

大多数现代超声波仪器包括温度补偿，数据处理滤波器和响应时间，有些甚至提供自校准。图9-5显示了一个固定的目标组件，它提供了一个点参考，可以自动重新校准水平传感器。可以通过探测管中的校准脊提供多个校准目标。这可以保证在30米的距离内测量精度在5毫米以内。

智能单元可以执行自动自校准或将球形，不规则或水平圆柱形油箱中的液位转换为实际体积。它们还可以用于多槽或多筒仓安装，通过多路复用，可以降低获得液位测量的单位成本。

液位开关

当足以检测特定高度处是否存在水平时，可以考虑阻尼或吸收型液位开关。在阻尼设计中，压电晶体以其共振频率振动传感器面。当探头面浸没在过程流体中时，振动会受到抑制。如图9-3A所示，这些开关可安装在油箱外部或内部，液面上方或下方。探头可以是水平的或垂直的。这些开关仅限于清洁液体装置，因为涂层可以抑制振动。固体可能无法提供足够的阻尼效果来驱动开关。

在吸收型液位开关中，一个压电晶体用作发射器而另一个压电晶体用作接收器。当它们之间的间隙充满液体时，声波从一个晶体传递到另一个晶体。然而，当蒸汽填充间隙时，超声波脉冲不会到达

接收器。晶体可以安装在罐的相对侧上，包含在叉形传感器的指状物中，或者位于水平或垂直探针中的一个或多个0.5英寸间隙的两侧。当工艺流体是污泥或浆料时，希望在发射器和接收器之间提供大的间隙，以确保当水平下降时粘性或涂层流体将完全从间隙中排出。

这些开关的典型精度为12英寸或更高。NPT连接尺寸为34英寸。工作温度范围为40-90°C（100至195°F）（特殊装置的读数较高可达400°C  750°F），工作压力可达1000 psig。标准输出是5或10安培双刀双掷（DPDT）继电器，但也使用电压和电流输出。

可以通过在水平面下方以10°角插入吸收（间隙）探针来测量清洁液体之间界面的存在或不存在。在这种配置中，只要探头浸入重液或轻液中，超声脉冲就会到达接收器。然而，当界面移动到间隙中时，它被反射掉并且不会到达接收器。

当要检测污泥或浆料界面时或者当感兴趣的是光层厚度时，可以将超声波间隙传感器连接到浮子上。只要两层的吸收特性不同，传感器将发信号通知该层是否比期望的更厚或更薄。

核级传感器

1898年，居里夫人通过观察某些元素自然发出能量来发现镭。她将这些发射伽马射线命名为。伽玛射线表现出神秘的特性 - 它们可以通过看似坚固，难以穿透的大量物质。然而，在该段落中，伽马射线失去了一些强度。可预测地，射线受到物体的比重和总厚度以及伽马射线源和探测器之间的距离的影响。

例如，图9-6显示，如果来自铯137的辐射穿过3英寸厚的钢制物体，92％的辐射能量将被吸收，只有8％将被传输。因此，如果观察者可以保持除厚度常数之外的所有变量，则可以使用伽马传输量来测量物体的厚度。假设源和探测器之间的距离没有改变，可以精确测量厚度（水平），或者，如果厚度是固定的，则可以精确测量处理材料的密度。

辐射源

当这项技术从实验室转移到工业环境时，核级传感器的开发就开始了。这需要设计和制造合适的探测器和放射性同位素的大规模生产。两者都发生在20世纪50年代。

核辐射的穿透力由其光子能量识别，以电子伏特（eV）表示并与波长相关（图9-7）。用于物位测量的较常见同位素是铯137，其光子能级为0.56 MeV。偶尔使用的另一种同位素是钴60，其能级为1.33MeV。虽然这种较高能量辐射的较大穿透力一开始看起来很有吸引力，但是它的半衰期也较短。当任何同位素衰变时，它会失去力量 - 失去一半力量所需的时间称为半衰期。

Cobalt 60的半衰期为5。3年。这意味着，在5。3年内，100毫居里（mCi）钴60源的活性将降至50 mCi。（一个mCi定义为1毫克镭226的活度。）当用于液位测量时，源强度的连续损失不仅需要连续补偿，而且较终（在钴60的情况下，约为5）年），必须更换源。这不仅意味着购买新货源的费用，而且还意味着处理旧货源的费用。

相比之下，33年的半衰期

铯137足够长，使得源可能比该过程更长久。另一种可能性是技术进步将比探测器衰减的速率更快地增加探测器的灵敏度。这为用户提供了更换或升级探测器的选项，同时保持信号源在未来的位置。

辐射安全

核管理委员会（NRC）将核辐射计的距离为12英寸，将辐射强度限制在每小时较多5毫升（mr  hr）。如果更多，该区域需要发布辐射区域。距离12英寸是至关重要的，因为辐射强度会减小距离的倒数平方。核级应变计的大小可以使探测器的辐射强度超过所需的较小值，但较大值低于5 mr  hr。对于离子室检测器，较小值为1 mr  hr。对于Geiger-Mueller开关，它是0.5 mr  hr。对于闪烁探测器，它是0.1-0.2毫升小时。因为核应变计基本上是测量液体上方的蒸汽空间，随着水箱中水位的升高，探测器的强度下降。当水箱满时，辐射强度几乎为零。

当用作罐液位传感器时，辐射必须在到达检测器之前通过几层材料。在探测器处，较大辐射必须小于某个安全极限（例如5 mr  hr），以避免需要“张贴”。可以使用其他标准，例如将每年剂量保持在5 rems（伦琴+当量+人）下。如果有人在一年中接触到辐射，这样的剂量将由暴露于0.57 mr  hr强度的辐射产生，而如果操作员仅暴露40小时周，则5 rem  yr将对应于如果在工作区暴露于2.4小时小时，则会收到此人。由于辐射暴露的总寿命剂量确实很重要（较多250雷姆），5 rem  yr的可接受性或任何其他限制也是年龄的函数（图9-8）。

这可以通过一个例子来说明：

来源大小调整

10 mCi铯137的点源（铯137的源常数K = 0.6）安装在具有12英寸钢壁的高压水箱中（图9-9）。通常，需要满足两个标准：首先，当水平从0-100％上升时，探测器的辐射强度必须下降至少50％。第二个也是更重要的标准是探测器的较大辐射剂量（当水箱为空时）不得超过安全限值（例如，2.4 mr  hr）。然而，它必须超过1.0毫升小时才能启动预期的离子室检测器。

首先，在探测器处计算空气强度（D a，mr  hr），用于源和接收器之间没有槽的情况。假设距离（d）为48：

由于除了水箱之外，所有方向都屏蔽了水源，因此在水箱排空时，在探测器附近工作的操作员将获得较大剂量。两个12英寸的钢壁将D a（图1中1英寸钢的透射率为49％）降低到0.49×2.6 = 1.27毫升小时。这低于允许的较大值但高于检测器所需的较小值。

当水箱装满时，辐射路径中30英寸水的存在将使该较大强度降低至0.045 mr  hr（0.035 x 1.9 = 0.045）。这种强度降低远远超过敏感测量所需的50％下降。请注意，如果使用Geiger-Mueller探测器，源尺寸可能减半。闪烁探测器将光源尺寸减小5至10倍。

通过将探头尖端中的源定位在水箱内并使其相对靠近墙壁移动，也可以减小水源尺寸。当要测量大的电平范围时，可以使用条形源代替点源。大多数核级应变计的准确度约为范围的1％。如果需要计算精度，则源和探测器都可以连接到电机驱动的磁带上并定位在水平面上（如果水箱含有两种液体，则位于界面水平）。

幸运的是，今天的计算机可以很容易地处理几何和设计标准的任何组合的数字和公式。较大的挑战不是计算，而是获得计算的准确输入。因此，非常重要的是，您的船舶的墙壁材料，厚度，其他油箱组件，如挡板，搅拌器叶片或夹克，以及所有距离都要准确确定。简而言之，核计量安装的性能很大程度上取决于对安装细节的准确了解。

探测器选项

较简单和较古老的辐射探测器是Geiger-Muller管。这种乐器通常用Geiger计数器识别，当暴露于辐射时会产生响亮且戏剧性的咔哒声。该探测器的工作部件是金属圆柱体，其作为电极之一并且充满惰性气体。中心下方的细线作为另一个电极。玻璃盖是

用作绝缘体，并且施加几乎足以引起电极之间电流流动的高压（700-1000伏直流电）。当管暴露于伽马辐射时，气体电离并且电离的粒子将电流从一个电极传送到另一个电极。伽马辐射到达管中的气体越多，产生的脉冲就越多。产生的脉冲速率由相关的电子电路计数，该电路以每秒脉冲进行测量。

如果在辐射强度指示高或低水平条件时校准接合或脱离继电器，则该探测器可用作液位开关。GM管探测器只能用作单点探测装置。其优点包括成本相对较低，体积小，可靠性高。

离子室检测器是连续水平装置。它是一个直径为4到6英寸的管子，长达20英尺，充满了加压到几个大气压的惰性气体。将小偏压施加到沿离子室中心插入的大电极。当伽马能量撞击腔室时，随着惰性气体被电离，检测到非常小的信号（以皮安为单位测量）。该电流与检测器接收的伽马辐射量成比例，被放大并作为电平测量信号传输。

在物位测量应用中，离子室将接收较多的辐射，因此，当电平较低时，其输出将是较高的。随着水平的上升和更大量的被测量吸收更多的伽马辐射，探测器的输出电流按比例减小。当检测器电流输出较高时，系统被校准为读取0％电平。设置100％电平以匹配输出电流的较低值。通常可以使用线性化软件来校正两者之间的非线性。该软件可以校正水箱内部或外部的蒸汽盘管，搅拌器叶片，挡板，加强环，夹套和其他部件的影响。

闪烁计数器检测器比离子室灵敏5至10倍。它们也花费更多，但许多用户愿意接受增加的费用，因为它允许他们使用更小的源尺寸或获得更灵敏的量具。当伽马能量撞击闪烁体材料（荧光体）时，它被转换成由光子（光粒子）组成的可见闪光。

随着伽马辐射强度的增加，这些光子的数量增加。光子穿过透明的塑料闪烁体介质到达光电倍增管，光电倍增管将光子转换成电子。输出与撞击闪烁体的伽马能量成正比。

闪烁体有多种形状，尺寸和长度可供选择。较新的一种是光纤电缆，通过在光纤束中安装更多灯丝，可以提高探测器的灵敏度。光纤电缆的另一个优点是它以长的长度制造，足够柔韧以适应容器的几何形状。这简化了球形，圆锥形或其他形状奇特的容器中水平的测量。

核应用

当没有其他任何东西可以工作时，或者当传统水平传感器所需的过程穿透对人类生命，对环境造成风险或者可能对财产造成重大损害时，通常会考虑辐射计。由核子测量仪测量的液体和散装固体是较危险，高压，有毒，腐蚀性，爆炸性和致癌物质。由于核应变计通过油箱壁“看到”，因此可以在过程运行时进行安装和修改 - 无需昂贵的停机时间或偶然释放。

由于核传感器的安装需要核管理委员会（NRC）许可证，因此相关程序旨在确保安装是安全的。查看放射性测量的安全性方面的较佳方式是比较明确定义和理解的风险，这些风险是通过将操作员暴露于辐射而不是在危险过程中具有不可靠或不准确的读数水平的可能更大的风险来进行的。

随着探测器变得更加敏感并且受到计算机的辅助，辐射源尺寸和产生的辐射水平继续下降。因此，这些仪器的安全性可能会随着时间的推移而持续改善。