基于輻射的水準儀與聲波頻率型液位計

一整類液位儀表裝置基于材料反射或吸收輻射的傾向。對于連續水平測量儀，較常用的輻射類型是雷達微波，超聲波和核。光電磁輻射也可以使用，但這已經找到了主要的方法

點開關應用將在下一章中討論。

基于輻射的液位計的主要優點是沒有活動部件，并且能夠在不與過程流體物理接觸的情況下檢測水平。因為它們實際上可以通過固體罐壁“看到”，核輻射計可能是非接觸式傳感的終極。因為它們需要伽馬輻射源并且相對昂貴，所以核計量器通常被認為是較后的水平計。

雷達和微波爐

1925年，美國海軍的A. Hoyt Taylor和Leo Young使用雷達（RAdio Detection and Ranging）來測量地球電離層的高度。到1934年，他們正在為海軍艦艇開發雷達。1935年，英格蘭的羅伯特沃森瓦特使用雷達探測飛機。第一批雷達液位傳感器于1976年推出，但直到十年后它們才具有經濟競爭力。

雷達信號和微波都以光速傳播，但它們的頻率（FM無線電廣播頻率從88到108 MHz，而微波范圍從1-300 GHz）和它們的功率水平（雷達大約0.01 mW）區分開來。  cm 2，而微波范圍為0.1-5mW  cm 2）。由于微波工作在更高的能量水平，它們可以承受比雷達型傳感器更多的涂層。

雷達傳感器包括發射器，天線，帶信號處理器的接收器和操作員界面。變送器安裝在容器頂部。它的固態振蕩器發出電磁波（使用選定的載波頻率和波形），向下瞄準油箱中過程流體的表面。使用的頻率通常為10 GHz。

信號由拋物面碟形天線或喇叭型天線（圖9-1A）輻射到處理液表面（圖1B）。一部分被反射回天線，在那里它被收集并路由到接收器。這里，微處理器計算飛行時間并計算水平。飛行時間是雷達脈沖的傳輸和返回回波的接收之間的時間段。它由雷達探測器確定，雷達探測器同時暴露于發射和反射信號。檢測器輸出基于差異。頻率調制（FM）信號的變化范圍為0到200 Hz，因為到過程流體表面的距離在0到200英尺之間變化。由于這種測量發生在頻域，因此它可以合理地避免噪聲干擾。

蒸汽空間的深度（基準點與水箱中的水平之間的距離，在圖9-1B中標識為“d”）由飛行時間（t）和光速（c = 186,000）計算得出英里秒）：

通過計算總罐高（E）和蒸汽空間深度（d）之間的差值來計算水平（圖9-1B中的L）：

知道蒸汽的信號速度（c）和介電常數（dc）（即蒸汽相對和反射電磁波的相對能力），可以計算出雷達波傳播速度（V）：

天線設計和安裝

兩種常用的天線是喇叭和拋物面天線。當雷達液位計發出信號時，微波散開。天線直徑越大，發散角越小，信號強度越大（圖9-1A）。較小天線的缺點包括較高的光束擴散和相應增加的來自罐內障礙物的反射的可能性。從積極的方面來說，發射的光束更有可能被反射回探測器。因此，傳感器的對準并不重要。

大型天線可產生更集中的信號，有助于消除平面和水平金屬表面的噪聲干擾。另一方面，它們更容易因湍流或傾斜表面的不需要的反射而產生誤差。安裝在水箱外部的完全隔離天線（圖9-2和9-4）提供密封和隔熱。如果天線位于過程密封下方，則它暴露在過程蒸汽中，但具有更強的信號幅度和更高工作壓力的適應性。

接觸式和非接觸式雷達

非接觸式雷達測量儀使用脈沖雷達波或頻率調制連續波（FMCW）。首先，發送短時雷達脈沖，并使用渡越時間計算目標距離。FMCW傳感器發出連續的頻率調制信號，通常是連續（線性）斜坡。頻率

傳輸和接收之間的時間延遲引起的差異表示距離。

雷達梁可以穿透塑料和玻璃纖維; 因此，非接觸式雷達應變計可通過密封與工藝蒸汽隔離。密封件可以位于拋物面圓盤上方（圖9-1A），也可以完全隔離傳感器（圖9-2A）。梁的低功率允許安全地安裝在金屬和非金屬容器中。當工藝材料易燃或變臟以及蒸汽空間的成分或溫度變化時，可以使用雷達傳感器。

接觸式雷達測量儀將一根脈沖沿線傳送到汽 - 液界面。在那里，介電常數的突然變化導致信號被部分反射。然后測量飛行時間（圖9-2B）。未反射的部分移動到探頭的末端并提供零電平參考信號。接觸式雷達技術可用于液體和粒度較大為20毫米的小顆粒固體顆粒。

反射型微波開關測量反射信號幅度的變化（圖9-3A）。空氣和蒸汽由于其低介電常數而返回一小部分信號，而高介電材料（如水）幾乎返回所有信號。更靈敏的開關可以區分具有低至0.1介電常數差異的液 - 液或液 - 固界面。如果顆粒直徑小于0.1英寸（大于發生過量的光束散射），則可以測量低介電材料，如塑料顆粒（電介質1.1）。

斷路器開關將微波束從發射器發送到位于水箱另一側的接收器。當光束被阻擋時，信號會減弱（圖9-3B）。斷路器對準并不重要，分離距離可達100英尺。

反射和光束斷路器微波開關通常用于希望不穿透罐的應用中。這些非侵入式傳感器通過塑料，陶瓷或玻璃窗或玻璃纖維或塑料罐壁發送電磁無線電波。

優點和局限

處理材料的反射特性影響返回的雷達信號強度。雖然液體具有良好的反射特性，但固體卻沒有。雷達可以檢測到一層輕微灰塵或通風泡沫下的液位，但如果灰塵顆粒尺寸增大，或者如果泡沫或灰塵變厚，它將不再檢測液位。相反，將測量泡沫或灰塵的水平。

內部管道，天線上的沉積物，多次反射或來自墻壁的反射都會干擾雷達傳感器的正常操作。其他干擾源是鼠洞和固體橋接，以及成角度過程

可以將雷達波束反射離開接收器的材料表面。

與其他輻射反射傳感器相比，雷達具有一些優點。例如，超聲波傳感器受蒸汽空間的組成影響。另一方面，超聲波傳感器在臟污應用中表現更好，或在顆粒尺寸大于20毫米時表現更好。

超聲波液位計

超聲波液位計的起源可以追溯到用于通過發射空殼測量井深度并測量回波返回的紅外測量儀。用于海軍導航的SONAR探測器也早于該原理的工業應用。

可聽聲音的頻率范圍為9-10 kHz，略低于工業級應變計使用的20-45 kHz范圍。超聲波脈沖的速度隨著其行進的物質和該物質的溫度而變化。這意味著如果聲速用于測量水平（距離或位置），則必須知道其行進的物質，并且必須測量和補償其溫度變化。

在室溫下，大氣中的聲速為340米秒或762英里小時。在相同溫度下，超聲波脈沖以1,496米秒或3,353英里小時的速度穿過水。如果空氣加熱到100°C，聲速會升至386 m  s。實際上，聲速與溫度的平方根成正比。在接近環境溫度下，每增加1°C，速度上升0.6 m  s，相當于增加0.18％°C。

超聲波液位開關（點傳感器）通過檢測超聲波振蕩的衰減或通過檢測超聲波脈沖的吸收或傳輸來操作。超聲波液位變送器通過發出超聲波脈沖并測量接收反射回波所需的時間來測量實際距離。

超聲波傳感器

產生超聲波脈沖的換能器通常是壓電的，盡管過去也使用靜電單元。靜電傳感器由薄而柔韌的鍍金塑料薄膜構成，在鋁制背板上伸展，并由片簧固定。這種設計用于早期的寶麗來自動對焦相機，仍然在清潔環境中使用。壓電換能器利用

陶瓷或聚合物晶體以其固有頻率振動。這些裝置堅固耐用，可承受1200 psig的沖洗壓力，符合NEMA-6P（IEC IP67）標準。

通常，換能器的直徑越大，范圍越長，頻率越低。這是因為，在釋放超聲波脈沖之后，換能器需要時間來振動。振蕩頻率與元件的直徑成反比，因此較小直徑的換能器元件產生較高的頻率。標準傳感器的光束角約為8°，NPT中的連接尺寸介于2.5和2.5之間，適用于-20至60°C（-30至140°F）的工作溫度。精度通常在全范圍的0.25-0.5％之內，較高可達30英尺。輸出通常為4-20 mA，具有12安培的繼電器輸出。

電平變送器配置

超聲波液位傳感器組件可由單獨的發射器和接收器元件組成（圖9-4A）。然而，大多數情況下，單個傳感器以規則的間隔開啟和關閉以監聽反射回波（圖9-4A）。當安裝在水箱頂部時，傳感器會檢測到蒸汽空間的深度。為了確定液體的體積，需要準確了解罐的橫截面形狀。

如果需要直接測量液柱的高度，可將傳感器安裝在水箱底部（圖9-4A）。但是，這種配置會使換能器暴露在過程流體中，并限制了維護的可及性。或者，換能器可以安裝在容器底部壁的外側，但是超聲波脈沖很可能通過罐壁的吸收和分散效應而大大削弱（圖9-4A）。

由大顆粒和硬顆粒組成的滯留，未攪拌的液體和固體是良好的反射器，因此是超聲波物位測量的良好候選者。絨毛，泡沫和松散的污垢是不良的反射器，并且蒸氣空間中的灰塵，霧氣或濕氣傾向于吸收超聲波脈沖。超聲波信號也被距離衰減。如果44-kHz聲波在干燥，清潔的環境空氣中傳播，則每米行進距離的聲功率會下降1-3分貝（dB）。因此，重要的是，尤其是在測量更大的深度時，換能器會產生強烈且聚焦良好的超聲波脈沖（圖9-4B）。

還希望表面平坦且垂直于聲波。在液位應用中，瞄準角必須在垂直方向的2度范圍內。如果表面被攪動或傾斜（如在固體的情況下），則回聲可能被分散。因此，關鍵

成功的超聲波液位傳感器裝置是仔細分析油箱內容物的反射，傳播和吸收特性。

當檢測兩種液體之間的界面時，例如鹽丘儲存井中的碳氫化合物鹽水界面，換能器下降到井底。超聲波脈沖通過重鹽水層向上發送到界面。回波返回所需的時間表示接口的位置（圖9-4C）。

特殊功能

大多數現代超聲波儀器包括溫度補償，數據處理濾波器和響應時間，有些甚至提供自校準。圖9-5顯示了一個固定的目標組件，它提供了一個點參考，可以自動重新校準水平傳感器。可以通過探測管中的校準脊提供多個校準目標。這可以保證在30米的距離內測量精度在5毫米以內。

智能單元可以執行自動自校準或將球形，不規則或水平圓柱形油箱中的液位轉換為實際體積。它們還可以用于多槽或多筒倉安裝，通過多路復用，可以降低獲得液位測量的單位成本。

液位開關

當足以檢測特定高度處是否存在水平時，可以考慮阻尼或吸收型液位開關。在阻尼設計中，壓電晶體以其共振頻率振動傳感器面。當探頭面浸沒在過程流體中時，振動會受到抑制。如圖9-3A所示，這些開關可安裝在油箱外部或內部，液面上方或下方。探頭可以是水平的或垂直的。這些開關僅限于清潔液體裝置，因為涂層可以抑制振動。固體可能無法提供足夠的阻尼效果來驅動開關。

在吸收型液位開關中，一個壓電晶體用作發射器而另一個壓電晶體用作接收器。當它們之間的間隙充滿液體時，聲波從一個晶體傳遞到另一個晶體。然而，當蒸汽填充間隙時，超聲波脈沖不會到達

接收器。晶體可以安裝在罐的相對側上，包含在叉形傳感器的指狀物中，或者位于水平或垂直探針中的一個或多個0.5英寸間隙的兩側。當工藝流體是污泥或漿料時，希望在發射器和接收器之間提供大的間隙，以確保當水平下降時粘性或涂層流體將完全從間隙中排出。

這些開關的典型精度為12英寸或更高。NPT連接尺寸為34英寸。工作溫度范圍為40-90°C（100至195°F）（特殊裝置的讀數較高可達400°C  750°F），工作壓力可達1000 psig。標準輸出是5或10安培雙刀雙擲（DPDT）繼電器，但也使用電壓和電流輸出。

可以通過在水平面下方以10°角插入吸收（間隙）探針來測量清潔液體之間界面的存在或不存在。在這種配置中，只要探頭浸入重液或輕液中，超聲脈沖就會到達接收器。然而，當界面移動到間隙中時，它被反射掉并且不會到達接收器。

當要檢測污泥或漿料界面時或者當感興趣的是光層厚度時，可以將超聲波間隙傳感器連接到浮子上。只要兩層的吸收特性不同，傳感器將發信號通知該層是否比期望的更厚或更薄。

核級傳感器

1898年，居里夫人通過觀察某些元素自然發出能量來發現鐳。她將這些發射伽馬射線命名為。伽瑪射線表現出神秘的特性 - 它們可以通過看似堅固，難以穿透的大量物質。然而，在該段落中，伽馬射線失去了一些強度。可預測地，射線受到物體的比重和總厚度以及伽馬射線源和探測器之間的距離的影響。

例如，圖9-6顯示，如果來自銫137的輻射穿過3英寸厚的鋼制物體，92％的輻射能量將被吸收，只有8％將被傳輸。因此，如果觀察者可以保持除厚度常數之外的所有變量，則可以使用伽馬傳輸量來測量物體的厚度。假設源和探測器之間的距離沒有改變，可以精確測量厚度（水平），或者，如果厚度是固定的，則可以精確測量處理材料的密度。

輻射源

當這項技術從實驗室轉移到工業環境時，核級傳感器的開發就開始了。這需要設計和制造合適的探測器和放射性同位素的大規模生產。兩者都發生在20世紀50年代。

核輻射的穿透力由其光子能量識別，以電子伏特（eV）表示并與波長相關（圖9-7）。用于物位測量的較常見同位素是銫137，其光子能級為0.56 MeV。偶爾使用的另一種同位素是鈷60，其能級為1.33MeV。雖然這種較高能量輻射的較大穿透力一開始看起來很有吸引力，但是它的半衰期也較短。當任何同位素衰變時，它會失去力量 - 失去一半力量所需的時間稱為半衰期。

Cobalt 60的半衰期為5。3年。這意味著，在5。3年內，100毫居里（mCi）鈷60源的活性將降至50 mCi。（一個mCi定義為1毫克鐳226的活度。）當用于液位測量時，源強度的連續損失不僅需要連續補償，而且較終（在鈷60的情況下，約為5）年），必須更換源。這不僅意味著購買新貨源的費用，而且還意味著處理舊貨源的費用。

相比之下，33年的半衰期

銫137足夠長，使得源可能比該過程更長久。另一種可能性是技術進步將比探測器衰減的速率更快地增加探測器的靈敏度。這為用戶提供了更換或升級探測器的選項，同時保持信號源在未來的位置。

輻射安全

核管理委員會（NRC）將核輻射計的距離為12英寸，將輻射強度限制在每小時較多5毫升（mr  hr）。如果更多，該區域需要發布輻射區域。距離12英寸是至關重要的，因為輻射強度會減小距離的倒數平方。核級應變計的大小可以使探測器的輻射強度超過所需的較小值，但較大值低于5 mr  hr。對于離子室檢測器，較小值為1 mr  hr。對于Geiger-Mueller開關，它是0.5 mr  hr。對于閃爍探測器，它是0.1-0.2毫升小時。因為核應變計基本上是測量液體上方的蒸汽空間，隨著水箱中水位的升高，探測器的強度下降。當水箱滿時，輻射強度幾乎為零。

當用作罐液位傳感器時，輻射必須在到達檢測器之前通過幾層材料。在探測器處，較大輻射必須小于某個安全極限（例如5 mr  hr），以避免需要“張貼”。可以使用其他標準，例如將每年劑量保持在5 rems（倫琴+當量+人）下。如果有人在一年中接觸到輻射，這樣的劑量將由暴露于0.57 mr  hr強度的輻射產生，而如果操作員僅暴露40小時周，則5 rem  yr將對應于如果在工作區暴露于2.4小時小時，則會收到此人。由于輻射暴露的總壽命劑量確實很重要（較多250雷姆），5 rem  yr的可接受性或任何其他限制也是年齡的函數（圖9-8）。

這可以通過一個例子來說明：

來源大小調整

10 mCi銫137的點源（銫137的源常數K = 0.6）安裝在具有12英寸鋼壁的高壓水箱中（圖9-9）。通常，需要滿足兩個標準：首先，當水平從0-100％上升時，探測器的輻射強度必須下降至少50％。第二個也是更重要的標準是探測器的較大輻射劑量（當水箱為空時）不得超過安全限值（例如，2.4 mr  hr）。然而，它必須超過1.0毫升小時才能啟動預期的離子室檢測器。

首先，在探測器處計算空氣強度（D a，mr  hr），用于源和接收器之間沒有槽的情況。假設距離（d）為48：

由于除了水箱之外，所有方向都屏蔽了水源，因此在水箱排空時，在探測器附近工作的操作員將獲得較大劑量。兩個12英寸的鋼壁將D a（圖1中1英寸鋼的透射率為49％）降低到0.49×2.6 = 1.27毫升小時。這低于允許的較大值但高于檢測器所需的較小值。

當水箱裝滿時，輻射路徑中30英寸水的存在將使該較大強度降低至0.045 mr  hr（0.035 x 1.9 = 0.045）。這種強度降低遠遠超過敏感測量所需的50％下降。請注意，如果使用Geiger-Mueller探測器，源尺寸可能減半。閃爍探測器將光源尺寸減小5至10倍。

通過將探頭尖端中的源定位在水箱內并使其相對靠近墻壁移動，也可以減小水源尺寸。當要測量大的電平范圍時，可以使用條形源代替點源。大多數核級應變計的準確度約為范圍的1％。如果需要計算精度，則源和探測器都可以連接到電機驅動的磁帶上并定位在水平面上（如果水箱含有兩種液體，則位于界面水平）。

幸運的是，今天的計算機可以很容易地處理幾何和設計標準的任何組合的數字和公式。較大的挑戰不是計算，而是獲得計算的準確輸入。因此，非常重要的是，您的船舶的墻壁材料，厚度，其他油箱組件，如擋板，攪拌器葉片或夾克，以及所有距離都要準確確定。簡而言之，核計量安裝的性能很大程度上取決于對安裝細節的準確了解。

探測器選項

較簡單和較古老的輻射探測器是Geiger-Muller管。這種樂器通常用Geiger計數器識別，當暴露于輻射時會產生響亮且戲劇性的咔噠聲。該探測器的工作部件是金屬圓柱體，其作為電極之一并且充滿惰性氣體。中心下方的細線作為另一個電極。玻璃蓋是

用作絕緣體，并且施加幾乎足以引起電極之間電流流動的高壓（700-1000伏直流電）。當管暴露于伽馬輻射時，氣體電離并且電離的粒子將電流從一個電極傳送到另一個電極。伽馬輻射到達管中的氣體越多，產生的脈沖就越多。產生的脈沖速率由相關的電子電路計數，該電路以每秒脈沖進行測量。

如果在輻射強度指示高或低水平條件時校準接合或脫離繼電器，則該探測器可用作液位開關。GM管探測器只能用作單點探測裝置。其優點包括成本相對較低，體積小，可靠性高。

離子室檢測器是連續水平裝置。它是一個直徑為4到6英寸的管子，長達20英尺，充滿了加壓到幾個大氣壓的惰性氣體。將小偏壓施加到沿離子室中心插入的大電極。當伽馬能量撞擊腔室時，隨著惰性氣體被電離，檢測到非常小的信號（以皮安為單位測量）。該電流與檢測器接收的伽馬輻射量成比例，被放大并作為電平測量信號傳輸。

在物位測量應用中，離子室將接收較多的輻射，因此，當電平較低時，其輸出將是較高的。隨著水平的上升和更大量的被測量吸收更多的伽馬輻射，探測器的輸出電流按比例減小。當檢測器電流輸出較高時，系統被校準為讀取0％電平。設置100％電平以匹配輸出電流的較低值。通常可以使用線性化軟件來校正兩者之間的非線性。該軟件可以校正水箱內部或外部的蒸汽盤管，攪拌器葉片，擋板，加強環，夾套和其他部件的影響。

閃爍計數器檢測器比離子室靈敏5至10倍。它們也花費更多，但許多用戶愿意接受增加的費用，因為它允許他們使用更小的源尺寸或獲得更靈敏的量具。當伽馬能量撞擊閃爍體材料（熒光體）時，它被轉換成由光子（光粒子）組成的可見閃光。

隨著伽馬輻射強度的增加，這些光子的數量增加。光子穿過透明的塑料閃爍體介質到達光電倍增管，光電倍增管將光子轉換成電子。輸出與撞擊閃爍體的伽馬能量成正比。

閃爍體有多種形狀，尺寸和長度可供選擇。較新的一種是光纖電纜，通過在光纖束中安裝更多燈絲，可以提高探測器的靈敏度。光纖電纜的另一個優點是它以長的長度制造，足夠柔韌以適應容器的幾何形狀。這簡化了球形，圓錐形或其他形狀奇特的容器中水平的測量。

核應用

當沒有其他任何東西可以工作時，或者當傳統水平傳感器所需的過程穿透對人類生命，對環境造成風險或者可能對財產造成重大損害時，通常會考慮輻射計。由核子測量儀測量的液體和散裝固體是較危險，高壓，有毒，腐蝕性，爆炸性和致癌物質。由于核應變計通過油箱壁“看到”，因此可以在過程運行時進行安裝和修改 - 無需昂貴的停機時間或偶然釋放。

由于核傳感器的安裝需要核管理委員會（NRC）許可證，因此相關程序旨在確保安裝是安全的。查看放射性測量的安全性方面的較佳方式是比較明確定義和理解的風險，這些風險是通過將操作員暴露于輻射而不是在危險過程中具有不可靠或不準確的讀數水平的可能更大的風險來進行的。

隨著探測器變得更加敏感并且受到計算機的輔助，輻射源尺寸和產生的輻射水平繼續下降。因此，這些儀器的安全性可能會隨著時間的推移而持續改善。