【知识普及】固体料位测量的三种主要技术及其关键特性
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年4月刊，原标题为：如何为应用选择合适的料位仪表？
料位测量技术有很多种，但是技术必须适应于应用。本文介绍了固体料位测量的三种主要技术，以及每种技术的关键特性。
处理散装固体材料的公司必须测量容器的含量，就像处理液体的用户需要测量液位一样。然而，两者之间存在明显的差异，如果想要获得固体产品的精确体积或质量，就变得特别困难。最大的区别就是与液体相比，固体流动的方式不同，甚至根本不流动。
有些固体有足够的粒度，可以分解成细小的颗粒。正因为如此，有些可能会结成块，但我们可以做一些基本的假设：材料可以倾倒，至少大部分应该如此。如果容器装满了固体材料，那这比仅仅测量体积或料位面临着更大的问题。
寻找固体料位
液体，即使是那些粘度较高的，在容器中最终也会达到均一水平液位。而另一方面，固体则会堆积。如果通过管道或溜槽将颗粒物输入到容器，最高点就在管道的正下方。容器的最高和最低点之间的差异可能是巨大的，也有可能相当均匀，取决于材料的类型和其它因素。
表1：各种材料的静止角
这种成堆特性可以通过静止角来量化，用来表示在坍塌之前，所形成的料堆的陡峭程度（见表1）。球形塑料珠不会堆积太高，因为它们会从自己堆积而形成的山上滚落下来。其它产品，即使它们不粘，也可以形成较高的堆，这主要取决于颗粒的形状或自然凝聚力。在大多数情况下，很少有产品的静止角在30度以下或45度以上。即使是湿沙，如果允许自由移动，其堆积的角度也不会超过45度。
图1：这个假想的容器配置了三种典型的测量技术：导波雷达、非接触雷达和声学。图片来源：艾默生过程管理
想象一个圆锥形容器，如图1所示。它从与中心和外壁等距的容器顶部上安装的管道填充物料。底部的出口居中，并且锥形壁倾斜角为45度。当向容器填充物料时，物料会在入口管下方堆积，并向外移动。填料停止时，将会形成一个锥形桩，其角度约为材料的静止角。容器的最低点将在墙壁附近，也就是离入口管最远的地方。当出口打开时，开口正上方的材料就会掉落，最终会形成一个洞，而更高处的物料将会从侧面或上方落下，从而填补此前形成的空洞。
固体测量的三种技术
固体测量技术通常是从顶部到底部，安装在容器顶部的料位仪向下指向物料。三种类型的料位仪分别为：用探头测量脉冲行程的导波雷达、非接触式雷达和声纳雷达。
每种技术都有它自己的特殊性，主要和如何处理固体的特性有关。在正常情况下，所有三种测量的计算都基于能量脉冲发射到物料表面某点，然后返回到仪表所需要的时间。
导波雷达，是一个非常小的点，仪表探头的直径只有1或2英寸。仅靠一个点，仪表无法测量整个表面概貌，但对一些应用程序，一个点也足够接收信息。非接触式雷达和声波料位仪，尤其是后者，虽然可以测量较大的面积，但仍可能产生一个并不完全的图像。这是否足够，取决于不同应用过程的需求。
了解仪表的局限性
导波雷达仪表，如图1所示，使用一个可以向下延伸到材料中的探头。读取信号沿着探针移动，到达材料表面，并返回探针，从而可以精确的测量探针周围的材料高度。由于信号沿探针传播，因此在低电介质应用中，相对于非接触式雷达，有较大的优势。
有些探头为柔性电缆，而另外一些则是刚性杆。对固体物料而言，柔性探头更好，因为当大量物料移动不均匀时所产生的力，可能会使刚性探头弯曲甚至破坏，特别是当容器充满或排空时更是如此。
如果探针插入到大体积物料较深的地方，当容器被充满或排空时，随着物料的移动，会产生较大的拉力，这是其特性之一。探测器可以被拉出仪表外壳，或更糟的情况是：一个质量较高的铠装探针甚至可以将容器拉翻。可以计算拉力的大小，以避免这些情况的发生。在靠近探头的地方频繁移动，可能会导致磨损，这取决于物料具体特性。不过，如果正确使用，导波雷达仪表十分准确，是一种非常经济有效的选择。
电介质和堆积密度
图2：导波雷达和声学仪表可以覆盖相当大的区域，但测量的精度取决于距离。
非接触式雷达和声波仪表,向材料表面发射脉冲信号，并测量反射时间（见图2）。测量精度取决于返回信号的强度和可重复性。是否能形成较强信号，是雷达、声学两者之间形成区别的主要原因。雷达仪表主要依赖材料的介电常数，而声学仪表则主要取决于体积密度。
非接触式雷达仪表，发射电磁脉冲。当脉冲遇到介电常数变化的边界时，就有部分能量被反射回来。在这种情况下，边界就是容器上部的空气和容器中材料表面的分界面，这些材料可以是固体，也可以是液体。材料的介电常数越高，反射就越强。
在测量固体料位时，表面角度会带来一个问题。如果物料表面是水平的，能量就会直接反射回仪表中，但如果脉冲遇到倾斜物料，则它的部分能量会被反射到容器一侧而无法捕获。在大多数情况下，发射的信号足够强，可以据此进行测量，但如果该材料具有低介电常数和较高的静止角，那这种组合就比较困难。在固体应用中，仪表和抛物面天线上特定物料的算法可以帮助测量固体料位。
声学仪表有一个类似的、但不同的约束。仪表发出的声音脉冲或声波穿过空气，抵达容器内物料表面或容器壁。反射强度取决于物料的体积密度，也就是给定体积中物质的质量。所以，如果物料表面粗糙，它会吸收部分能量，反射波就会减弱。
虽然大多数情况下，这不是一个很严重的问题，但对某些容易出问题的产品，还是要多加关注。声波扫描的范围要比非接触雷达仪表大得多，因此仪表能够捕获更多的信息，从而可以计算出视线可及范围内的平均料位。
在某些容器内，如果料位信息足够，那么计算出的物料体积的测量精度可达3%，但是较大的容器可能需要多个设备来达到上述结果。