★ 北京广利核系统工程有限公司 王欢，周亮，翟丽娜

关键词：液位计；导波雷达；核电；单片机

在工业生产中，物料的液位是一个重要参数。导波雷达液位计作为测量物料液位的仪器仪表，在工业控制中起到了至关重要的作用[1]。本文系统介绍了一种导波雷达液位计的实现方法。

1   背景

导波雷达液位计常用于核电机组正常运行以及事故后的乏池液位测量。液位计将乏池液位转成标准电信号（4～20mA）输出至控制系统，参与测量报警、保护等功能。

导波雷达液位计工程应用主要包括导波结构（包括导向筒及导波杆）、处理机柜（包括液位信号接收和处理单元、液位值显示、报警、标准模拟量远传信号单元）、电缆和接插件（用于连接导波结构和处理机柜），如图1所示。

图1 导波雷达总体结构

2   系统设计

2.1   导波雷达液位计测量原理以及传输线理论

导波雷达液位计模拟件，安装在BXS厂房处理机柜中。该模块发出的脉冲信号通过150m同轴电缆传播，在同轴电缆和导波结构的接插件处，阻抗特性发生变化，产生一个回波信号（即顶部回波）。同时，仍有一部分信号继续沿导波杆传播，当信号与液面接触时，其阻抗特性也会变化，再产生一个液位回波信号。导波雷达液位计模拟件可以判断出顶部回波与液位回波之间的时间差，根据这个时间差，即可计算液面高度[2]。

由图1可知，液面到导波雷达液位计模拟件的接插件之间的距离为式（1）：

c—电磁波在空气中的传播速度，近似等于光速（3×10 m/s）；t—顶部回波与液位回波之间的时间差。

那么，可以计算得到液位的深度如式（2）所示：

导波雷达液位计脉冲信号发射电路输出高频脉冲信号，经过150m同轴电缆沿着导波杆进行传播，遇到阻抗不同的介质时，会产生同向或者反向的反射信号[3]。其传播过程遵循时域反射原理（Time-Domain Reflection，TDR）。

根据电缆传输线理论，断路时发生与发射波极性相同的回波， 如图2所示；短路时发生与发射波极性相反的回波， 如图3所示。本系统测量水位， 由于水的介电质常数(ε=81.5）较大， 会产生较大的反向回波，而在150m同轴电缆和导波杆连接位置会产生比较明显的同向回波，如图4所示。通过MCU处理得到两个回波信号的时间差，得到接插件到液位的距离，从而计算出相应的液位值[4]。

图2 断路同向回波

图3 短路反向回波

图4 导波雷达液位回波示意图

2.2   导波雷达液位计系统框图

根据导波雷达的测量原理， 设计导波雷达液位计系统框架如图5所示，软件位于微处理器模块中。

微控制器通过控制信号收发及调理模块，产生符合标准的差频信号。该信号通过脉冲发射模块传输给同轴电缆，信号沿着电缆传输分别在电缆和导波杆连接处以及导波杆和液面接触位置产生回波；回波信号沿着原路返回，并通过接收电路以及其他处理电路最终传回微处理器模块；微处理器通过滤波、插值等算法找到回波信号（如图5）起始点和终点，计算出二者的时间间隔t，从而计算出相应的液位值；液位值根据实际需求转化为标准的电信号（4～20mA），输出至后方的控制系统。

图5 导波雷达液位计系统框图

3   硬件电路设计

导波雷达液位计的硬件电路部分主要包括4部分，分别是显示控制模块、信号调理模块、发射接收模块，以及电源模块[5]，如图6所示。

显示控制模块主要完成数据显示和人机交互功能，可根据实际需要显示对应的测量高度以及回波曲线等；按键部分可以根据用户具体需求设置相应参数，以匹配具体场景应用。

信号的处理与发送接收是整个硬件主体设计的关键。信号的调理模块包括固定频率振荡电路、可调频率振荡电路以及分频电路，其中固定频率部分电路由固定频率晶振以及相关阻容器件产生；可调频率部分电路由控制模块调节，以产生匹配固定频率振荡电路的相应频率值，从而得到满足条件的差频信号。

发射接收模块包括负脉冲提取电路、发射信号产生电路、回波定向耦合电路以及平衡取样电路等。通过平衡取样电路得到的回波信号经过信号放大、波形采集等进入MCU处理模块，供控制模块进行数据处理、显示等。

电源模块主要为电路的数字部分及模拟部分提供相应电源， 并实现二线制HART协议通信功能， 方便与上位机完成数据交互任务。

图6 导波雷达液位计硬件电路图

4   软件程序设计

导波雷达液位计软件基于瑞萨M3602L单片机，采用C语言编程，运行于裸机环境。软件采用模块化设计，主要由以下模块组成：

（1）初始化模块：主要功能是系统程序执行入口， 完成系统初始化， 包括CPU工作模式设定、自检、周边电路初始化、CPU中断初始化、显示键盘初始化、通讯功能初始化等功能，进入正常运行状态。

（2）数据采集模块：该模块通过对微波发射硬件电路的调整及反馈测量，使发射电路达到发射条件后发射微波脉冲，并对回波A/D采样，得到回波数据。

（3）数据处理模块：主要完成对回波采样数据的处理，包括对回波数据数字滤波处理、包络线生成、回波起始点的查找、各个回波数据波的查找、分析、回波位置计算、回波强度宽度计算、回波权重分析，最后得到待测物体位置。

图7是导波雷达液位计软件流程示意图。

图7 导波雷达液位计软件流程示意图

5   测量与验证

5.1   数据测量

导波雷达液位计在不同量程下都可以完成对距离的测量。分别在量程为1m和2.5m时对液面距离进行测量，并输出测量距离对应的电流值，结果如表1、表2所示。根据测量精度1%的要求，将测量值与理论值进行比较，发现在各个量程以及指定距离下均能符合测量要求，说明导波雷达液位计能够满足基本的测量要求。

表1 1m量程测试表格

表2 2.5m量程测试表格

5.2   软件功能验证

针对导波雷达液位计各项软件功能， 设置各种“前置”条件，按照测试要求进行操作，具体情况如表3所示。通过对比“预期结果”和“实际结果”发现，软件能够完成正常的测量功能，并在各种“异常情况” （如电源故障、数据采集失败等）下能够产生相应的报警提醒功能，说明导波雷达液位计软件具备正常的液位测量功能，并且本身具有一定的鲁棒性。

表3 软件功能测试

6   结语

本文通过分析导波雷达的测量原理、时域反射原理与传输线理论，提出了一种导波雷达液位计的设计与实现方案。该方案以瑞萨单片机M3602L为控制核心，搭建外围脉冲发送和回波测量电路，能够实现导波雷达测量距离的基本要求。导波雷达液位计在1m和2.5m量程下对水位液面的测量数据分析，以及其软件在各种“异常情况”的具体表现，说明该方案能够满足液位测量的基本要求，并且其软件具备一定的鲁棒性。在液位测量中，该液位计能够满足现场测量要求。基于当前核电站运行情况，该液位计在核电站的应用规模相对有限，装机数量尚未形成显著规模，导致可获取的现场运行样本量不足。因此，其在实际工况下的性能表现仍需通过更系统的实证研究进行可靠性验证与运行特性分析。

作者简介：

王   欢（1988-），男，河北人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电仪控设计工作。

参考文献：

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摘自《自动化博览》2026年4月刊