FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave,調頻連續波)雷達波式液位計是一種高精度的非接觸式測量儀器,廣泛應用於化工、儲運及水處理等領域。
FMCW 雷達的運作並非發射單一頻率,而是發射一個在時間上頻率線性變化的連續信號(通常呈鋸齒波或三角波形式)。
發射信號: 雷達天線向液面發射頻率隨時間線性增加的微波。
反射信號: 微波接觸液面後反射,天線接收到回波。由於回波往返需要時間,當它回到天線時,發射器已經在發射更高頻率的信號了。
頻率差: 雷達內部會將「當前發射的頻率」與「接收到的回波頻率」進行混頻處理,兩者之間的差值被稱為差拍頻率(Beat Frequency)。
液位越深(距離越遠),回波傳回來的時間就越長,此時發射頻率與回波頻率產生的「時差」導致的「頻率差」就越大。
超音波液位計(Ultrasonic Level Transmitter)是一種非接觸式的測量儀器,其核心原理是利用聲波的發射與反射時間差來計算距離。
超音波液位計的探頭(換能器)既是「發射器」也是「接收器」。其工作流程如下:
發射脈衝: 探頭向下方液面發射一束超音波脈衝。
遇到介面反射: 聲波在空氣中傳播,接觸到密度不同的液面時會產生反射(回波)。
接收回波: 探頭接收到反射回來的聲波信號。
計算時間: 儀器內部的微處理器紀錄下從「發射」到「接收」所經過的時間 t。
靜壓力式液位計(Hydrostatic Level Transmitter)是一種基於物理學中流體靜力學原理來測量液位的高度感測器。它的核心邏輯非常直觀:液體越深,底部的壓力就越大。
當密度和重力固定時,壓力P與液位高度h成正比。因此,只要測出液體底部的壓力,就能精確計算出水位。
常見的靜壓力液位計(投入式)主要由以下部分組成:
感測膜片:通常位於探頭底部,直接接觸液體,感知液體壓力。
壓力傳感元件:將膜片受到的機械壓力轉換為電信號。
導氣管(非常重要):在連接電纜的中心通常有一條微小的空心管。這條管的作用是將大氣壓引入感測器背面,用以抵消大氣壓力的波動,確保測得的是純粹的「液柱壓力」。
電容式液位計(Capacitance Level Transmitter)是一種常見的工業儀表,其核心原理是利用電容值的變化來推算液位的高度。
在液位計的應用中,通常裝置包含一個探極(Probe)與容器壁(若容器為金屬)。當液位上升時,探極周圍的介質由「空氣」變成了「液體」。
當液體上升並覆蓋探極時,原本填充空氣的部分被液體取代,導致整體的平均介電常數增加。
由於電容值與介電常數成正比,液位越高,測得的電容值就越大。