★ 北京廣利核系統工程有限公司 王歡，周亮，翟麗娜

關鍵詞：液位計；導波雷達；核電；單片機

在工業生產中，物料的液位是一個重要參數。導波雷達液位計作為測量物料液位的儀器儀表，在工業控制中起到了至關重要的作用[1]。本文系統介紹了一種導波雷達液位計的實現方法。

1   背景

導波雷達液位計常用于核電機組正常運行以及事故后的乏池液位測量。液位計將乏池液位轉成標準電信號（4～20mA）輸出至控制系統，參與測量報警、保護等功能。

導波雷達液位計工程應用主要包括導波結構（包括導向筒及導波桿）、處理機柜（包括液位信號接收和處理單元、液位值顯示、報警、標準模擬量遠傳信號單元）、電纜和接插件（用于連接導波結構和處理機柜），如圖1所示。

圖1 導波雷達總體結構

2   系統設計

2.1   導波雷達液位計測量原理以及傳輸線理論

導波雷達液位計模擬件，安裝在BXS廠房處理機柜中。該模塊發出的脈沖信號通過150m同軸電纜傳播，在同軸電纜和導波結構的接插件處，阻抗特性發生變化，產生一個回波信號（即頂部回波）。同時，仍有一部分信號繼續沿導波桿傳播，當信號與液面接觸時，其阻抗特性也會變化，再產生一個液位回波信號。導波雷達液位計模擬件可以判斷出頂部回波與液位回波之間的時間差，根據這個時間差，即可計算液面高度[2]。

由圖1可知，液面到導波雷達液位計模擬件的接插件之間的距離為式（1）：

c—電磁波在空氣中的傳播速度，近似等于光速（3×10 m/s）；t—頂部回波與液位回波之間的時間差。

那么，可以計算得到液位的深度如式（2）所示：

導波雷達液位計脈沖信號發射電路輸出高頻脈沖信號，經過150m同軸電纜沿著導波桿進行傳播，遇到阻抗不同的介質時，會產生同向或者反向的反射信號[3]。其傳播過程遵循時域反射原理（Time-Domain Reflection，TDR）。

根據電纜傳輸線理論，斷路時發生與發射波極性相同的回波， 如圖2所示；短路時發生與發射波極性相反的回波， 如圖3所示。本系統測量水位， 由于水的介電質常數(ε=81.5）較大， 會產生較大的反向回波，而在150m同軸電纜和導波桿連接位置會產生比較明顯的同向回波，如圖4所示。通過MCU處理得到兩個回波信號的時間差，得到接插件到液位的距離，從而計算出相應的液位值[4]。

圖2 斷路同向回波

圖3 短路反向回波

圖4 導波雷達液位回波示意圖

2.2   導波雷達液位計系統框圖

根據導波雷達的測量原理， 設計導波雷達液位計系統框架如圖5所示，軟件位于微處理器模塊中。

微控制器通過控制信號收發及調理模塊，產生符合標準的差頻信號。該信號通過脈沖發射模塊傳輸給同軸電纜，信號沿著電纜傳輸分別在電纜和導波桿連接處以及導波桿和液面接觸位置產生回波；回波信號沿著原路返回，并通過接收電路以及其他處理電路最終傳回微處理器模塊；微處理器通過濾波、插值等算法找到回波信號（如圖5）起始點和終點，計算出二者的時間間隔t，從而計算出相應的液位值；液位值根據實際需求轉化為標準的電信號（4～20mA），輸出至后方的控制系統。

圖5 導波雷達液位計系統框圖

3   硬件電路設計

導波雷達液位計的硬件電路部分主要包括4部分，分別是顯示控制模塊、信號調理模塊、發射接收模塊，以及電源模塊[5]，如圖6所示。

顯示控制模塊主要完成數據顯示和人機交互功能，可根據實際需要顯示對應的測量高度以及回波曲線等；按鍵部分可以根據用戶具體需求設置相應參數，以匹配具體場景應用。

信號的處理與發送接收是整個硬件主體設計的關鍵。信號的調理模塊包括固定頻率振蕩電路、可調頻率振蕩電路以及分頻電路，其中固定頻率部分電路由固定頻率晶振以及相關阻容器件產生；可調頻率部分電路由控制模塊調節，以產生匹配固定頻率振蕩電路的相應頻率值，從而得到滿足條件的差頻信號。

發射接收模塊包括負脈沖提取電路、發射信號產生電路、回波定向耦合電路以及平衡取樣電路等。通過平衡取樣電路得到的回波信號經過信號放大、波形采集等進入MCU處理模塊，供控制模塊進行數據處理、顯示等。

電源模塊主要為電路的數字部分及模擬部分提供相應電源， 并實現二線制HART協議通信功能， 方便與上位機完成數據交互任務。

圖6 導波雷達液位計硬件電路圖

4   軟件程序設計

導波雷達液位計軟件基于瑞薩M3602L單片機，采用C語言編程，運行于裸機環境。軟件采用模塊化設計，主要由以下模塊組成：

（1）初始化模塊：主要功能是系統程序執行入口， 完成系統初始化， 包括CPU工作模式設定、自檢、周邊電路初始化、CPU中斷初始化、顯示鍵盤初始化、通訊功能初始化等功能，進入正常運行狀態。

（2）數據采集模塊：該模塊通過對微波發射硬件電路的調整及反饋測量，使發射電路達到發射條件后發射微波脈沖，并對回波A/D采樣，得到回波數據。

（3）數據處理模塊：主要完成對回波采樣數據的處理，包括對回波數據數字濾波處理、包絡線生成、回波起始點的查找、各個回波數據波的查找、分析、回波位置計算、回波強度寬度計算、回波權重分析，最后得到待測物體位置。

圖7是導波雷達液位計軟件流程示意圖。

圖7 導波雷達液位計軟件流程示意圖

5   測量與驗證

5.1   數據測量

導波雷達液位計在不同量程下都可以完成對距離的測量。分別在量程為1m和2.5m時對液面距離進行測量，并輸出測量距離對應的電流值，結果如表1、表2所示。根據測量精度1%的要求，將測量值與理論值進行比較，發現在各個量程以及指定距離下均能符合測量要求，說明導波雷達液位計能夠滿足基本的測量要求。

表1 1m量程測試表格

表2 2.5m量程測試表格

5.2   軟件功能驗證

針對導波雷達液位計各項軟件功能， 設置各種“前置”條件，按照測試要求進行操作，具體情況如表3所示。通過對比“預期結果”和“實際結果”發現，軟件能夠完成正常的測量功能，并在各種“異常情況” （如電源故障、數據采集失敗等）下能夠產生相應的報警提醒功能，說明導波雷達液位計軟件具備正常的液位測量功能，并且本身具有一定的魯棒性。

表3 軟件功能測試

6   結語

本文通過分析導波雷達的測量原理、時域反射原理與傳輸線理論，提出了一種導波雷達液位計的設計與實現方案。該方案以瑞薩單片機M3602L為控制核心，搭建外圍脈沖發送和回波測量電路，能夠實現導波雷達測量距離的基本要求。導波雷達液位計在1m和2.5m量程下對水位液面的測量數據分析，以及其軟件在各種“異常情況”的具體表現，說明該方案能夠滿足液位測量的基本要求，并且其軟件具備一定的魯棒性。在液位測量中，該液位計能夠滿足現場測量要求。基于當前核電站運行情況，該液位計在核電站的應用規模相對有限，裝機數量尚未形成顯著規模，導致可獲取的現場運行樣本量不足。因此，其在實際工況下的性能表現仍需通過更系統的實證研究進行可靠性驗證與運行特性分析。

作者簡介：

王   歡（1988-），男，河北人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電儀控設計工作。

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摘自《自動化博覽》2026年4月刊