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雷达物位计不同频率的测量的差异及各自的优势分析

发表时间:2019-08-21   点击次数:  技术支持:150-5269-2011
雷达物位计是一种复杂的检测仪器,它由高度现代化的微波元器件和复杂的信号分析处理器组成,雷达物位计采用微波脉冲的测量方法,并可在工业频率波段范围内正常,波束能量低,可安装于各种金属、非金属容器或管道内,对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量。能够在不同的应用场合中采集填充物物位。,雷达物位计适用于粉尘、温度、压力变化大,有惰性气体及蒸汽存在的场合。对人体及环境均无伤害,还具有不受介质比重的影响,不受介电常数变化的影响,不需要现场校调等优点,不论是对工业需要,还是对顾客经济实惠的考虑,都是不错的选择。
 
近年来,随着科技的迅猛发展,雷达物位计测量技术较以前有了在的发展,不过,要选择一个合适的雷达物位计并不是个容易的事,因为雷达物位计也分为不少种类,我们在实践中要结合理论知识和实践经验加以通盘考虑。雷达物位计作为复杂的检测仪器,其组成是由高度现代化的微波元器件和复杂的信号分析处理器构成,新的电子元器件和巧妙的外型设计增强了雷达物位计的性能,开辟了更多的应用领域。几年前,雷达物位计中还没有太多的技术参数,现在它的频率范围满足了许多新的解决方案提出的要求。在雷达物位计的研发设计中需要经验丰富的设计师和高度现代化且有价值的技术,但要求雷达物位计的使用操作和安装应用应尽可能简便。对于雷达物位计的使用者来讲,了解不同技术的优缺点和雷达物位计的佳使用情况是一件非常难的工作。
 
有两种方法可以检测到检测仪与充填物表面的距离,即脉冲雷达技术和FMCW雷达技术。在脉冲雷达方法中,微波脉冲的运行时间由专门的扫描设备进行检测;在FMCW雷达技术中则用频率范围内调制信号的持续时间来换算。对于雷达物位计的使用者来讲,这两种方法几乎没有区别,仅仅是在处理FMCW波雷达信号时需要一个FFT(快速傅里叶变换)。它需要性能更好的微处理器,能源费用更高,但检测速度更慢。本文针对于不同频率的雷达液位计的各自的优缺点向各位作介绍,帮助朋友们在本企业的物位计选型时有的放矢,正确地选择合适的测量仪表。
 
6GH雷达物位计
图1 6GHz发射频率的雷达物位计:发射频率非常宽,从不同的表面范围反射信号,受内部安装构件的干扰大。
 
在雷达物位计研发的初期,频率范围的选择还与合适的电子元器件的选择有关。因此频率范围一般都使用10GHz的频率。后来,人们主要使用全球认可的频率范围,例如C、K和W频率带宽,出现了6GHz、25GHz和75GHz的频率。每一个频率都有自己的优点和缺点,因此在雷达物位计中没有佳频率这一概念。究竟选用哪一个频率主要取决于雷达物位计的使用情况。但目前频率范围在25GHz的雷达物位计能够在不同的应用中安全、可靠地运行,这一频率范围的雷达物位计市场占有率高达80%左右。
 
衡量雷达物位计性能的一个重要指标是系统的灵敏度,即能够接收尽可能大和尽可能小的反射信号。在过去的几年里,人们对雷达物位计灵敏度的研究做了大量的工作,新的微波元器件带来了全新的应用可能性。尤其是对松散物料充填高度进行检测的雷达物位计,灵敏性非常重要,因为一眨眼的功夫,发射出去的雷达波很快被就反射回来。检测松散物料的雷达物位计灵敏度高可达100dB,表示雷达物位计能够检测的小信号是发射信号的百亿分之一。若把这一灵敏度换算到机械性检测中,例如载重汽车的地磅,若地磅的重量检测精度与雷达物位计的检测精度相同,那么它就能检测出额定载重量40t货车满载后,车上多一根头发丝与少一根头发丝的重量差异。
 
25GH雷达物位计
图2 25GHz发射频率的雷达物位计:发射频率较窄,不同范围中有很好的平均反射值,受内部安装构件的干扰小
 
天线系统的选择
 
为了能够在不同的应用中充分利用雷达物位计的优点,雷达物位计的天线应与其使用情况相匹配。一般情况下,雷达物位计的天线按照3种不同的原理来设计,即基于反射技术的雷达天线,例如:喇叭形天线或者抛物面卫星天线;利用塑料表面计算微波的雷达天线,例如:鞭状天线或者球形天线;通过导电电缆传导PTFE或者陶瓷基板所接收辐射信号的平面天线。从技术上讲,所有的天线都可以与不同的频率范围配套使用,但在频率较低的时候所需的天线面积较大,从而很快受到机械设计技术的限制。
 
因为雷达天线系统的大小与所使用的频率有密切的关系,所以频率是选择雷达物位计的一个重要参数,高频率的雷达物位计更具优势。例如,雷达物位计的频率加倍,则只需使用原来1/4大小的天线就能够得到相同的信号。另外,高频率的雷达物位计能够有效地减少由安装部件、搅拌机或者容器内部结构件产生的干扰反射波。雷达频率越高,所使用的雷达物位计就越小。
 
但是,较小的天线对雷达增益是不利的,因为某些应用中需要利用雷达的方向性放大信号。面积较大的天线可以接收更多的能量,产生较大的信号。这一点对那些不易反射雷达波的物体检测非常重要,例如在塑料粒料或者稀释剂的检测。
 
不受使用条件的影响
 
雷达技术的大优点是流程设备所采用的工艺技术几乎对这一检测技术不产生影响;对于不同的应用,雷达物位计都有合适的安装方式。
 
雷达微波的传播几乎与温度无关,只有在被测工作压力高达1MPa以上时被测介质压力对雷达物位计检测结果才会有影响。
 
一般情况下,雷达微波的传播与被测容器中的气体介质成分无关,但也有例外,例如:氨和氯乙烯。它们对微波有衰减作用,且频率越高衰减也越大。这就意味着在实践中要使用发射频率较低的雷达物位计,尤其是在进行大范围检测时。
 
75GH雷达物位计
图3 75GHz发射频率的雷达物位计:发射频率非常狭窄,仅在较小的范围内采集反射信号,大量的反射波反射到容器壁上,因此接收到的反射信号较少,内部安装构件的干扰较少
 
特殊工况下的液位检测
 
一般情况下,对液体介质的液位高度进行检测是一件相对容易的事情,因为一般情况下液体介质的表面是平整的,把雷达物位计发射出来的雷达波直接反射回去。在流程工艺领域中,在搅拌机或有蒸汽的容器中填充物料的检测则是另外一种情况。
 
因为波动、变化的表面会把一部分雷达信号反射到接收天线接收不到的地方,例如被测介质在搅拌机中上下翻腾时大部分雷达信号都被无规律地反射到容器壁上。在这里增强雷达信号的聚焦反而有害。同时,要求有足够大面积的接收天线,以保证足够的接收信号。
 
冷凝水和一些喷射状的介质往往会滞留在接收天线上,反射、衰减接收到的微波。这里,滞留沉积的厚度与雷达物位计发射微波的频率成比例。由于高频微波的波长较小,因此滞留、沉积的物质严重影响信号接收的质量。实践证明,1mm厚的沉积物对25GHz频率微波的影响约是6GHz频率微波的3倍、75GHz时大约是10倍。容器内被测介质表面的泡沫对微波的影响更大,频率越高泡沫带来的衰减也就越大。主要原因是因为波长较短和泡沫所带来的信号损失。
 
在对液体介质的液位进行检测时,一个很好的折衷办法就是使用频率范围为25GHz的雷达微波。这一频率的雷达物位计有很好的信号聚焦性能,而且对天线系统上冷凝水的滞留、沉积非常不敏感。通过过去几年的努力,这一频率雷达物位计的灵敏度得到了大大提高,很快还会推出检测含有泡沫的液体介质液位的检测仪。
 
不同雷达物位计发射频率比较
 
松散物料的检测
 
由于松散物料所形成的倾斜角,部分雷达信号被松散物料表面发射到侧壁上,而且松散物料越细、反射到侧壁上的雷达信号就越多。换言之,颗粒粗大的松散物料比颗粒细密的松散物料更容易检测。一般情况下,总是用松散物料的粒度与雷达物位计的波长或者频率之比表示两者相互关联的衡量尺度。当用频率为75GHz的雷达物位计对某松散物料进行检测时,如果松散物料的粒度细3倍则该物位计得到的反射波相当于25GHz频率物位计的反射波。在实际应用中,对水泥、细面糖或者石英砂进行检测时,人们感觉不到75GHz频率雷达物位计与25GHz雷达物位计有什么区别,因为反射信号的强度基本相同。
 
采用能够发出特殊增强信号的聚焦天线系统的物位计检测结构件很强的圆形料仓仓壁、或者被检测的料仓壁内有辅助部件和支撑件时效果好。检测过程中信号重合性好,几乎没有干扰反射,检测软件也非常简单,只需选择回波信号作为正确的信号就可以。松散物料可以作为一个较大的反射斑点,它具有较大的反射波束等优点。当松散物料的粒度较大时,可以反射到许多检查点上,甚至比强聚焦的信号具有更强的反射。另外,在向料仓充填松散物料时很少有均匀对称的堆积漏斗或者锥形堆,此时,信号聚焦性能较低的天线对这种充填物表面的检测非常有利。
 
在松散物料检测中,粉尘是一个非常重要的影响因素,其中包括粉尘在天线上沉积的影响。一般情况下,空气中的粉尘对雷达发射的微波几乎没有影响,只有在强粉尘环境中,例如压缩空气输送松散物料时产生的强粉尘环境,所产生的信号衰减对高频雷达物位计的信号有明显的影响。
 
沉积在天线上的粉尘对检测结果有很大影响,高频雷达物位计发射的微波波长越短,粉尘对信号的衰减就越强。换言之,高频雷达物位计受到天线粉尘沉积的影响比低频雷达物位计的要大。当25GHz频率的雷达物位计接收天线覆盖着厚厚的沉积污垢时,75GHz频率的雷达天线就必须利用压缩空气来清除沉积在天线上的粉尘。这样就增加了设备维护保养的费用,从而增加了流程设备使用运行成本。
 
频率范围的选择
 
实践证明,雷达物位计的每一个频率范围同时具有优点和缺点。因此在选择雷达物位计时必须考虑它的使用环境,在编写合适的软件算法语言时把丰富的应用经验容纳其中,根据使用条件简单确定雷达物位计的选择原则。在许多情况下信号聚焦较小的25GHz雷达物位计可以代替75GHz的高频物位计。通过简单的物位计与被测充填介质的匹配,使得检测仪器能够根据典型的回波信号进行分析检测,能够在不同的被测介质和不同形状的容器中得出令人满意,且不受污垢影响的可靠结果,保证了流程设备拥有较长的免维修周期。
 

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