雷達(dá)物位計是一種復(fù)雜的檢測儀器,它由高度現(xiàn)代化的微波元器件和復(fù)雜的信號分析處理器組成，雷達(dá)物位計采用微波脈沖的測量方法，并可在工業(yè)頻率波段范圍內(nèi)正常，波束能量低，可安裝于各種金屬、非金屬容器或管道內(nèi)，對液體、漿料及顆粒料的物位進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量。能夠在不同的應(yīng)用場合中采集填充物物位。，雷達(dá)物位計適用于粉塵、溫度、壓力變化大，有惰性氣體及蒸汽存在的場合。對人體及環(huán)境均無傷害，還具有不受介質(zhì)比重的影響，不受介電常數(shù)變化的影響，不需要現(xiàn)場校調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，不論是對工業(yè)需要，還是對顧客經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的考慮，都是不錯的選擇。

 

近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，雷達(dá)物位計測量技術(shù)較以前有了在的發(fā)展，不過，要選擇一個合適的雷達(dá)物位計并不是個容易的事，因?yàn)槔走_(dá)物位計也分為不少種類，我們在實(shí)踐中要結(jié)合理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以通盤考慮。雷達(dá)物位計作為復(fù)雜的檢測儀器，其組成是由高度現(xiàn)代化的微波元器件和復(fù)雜的信號分析處理器構(gòu)成，新的電子元器件和巧妙的外型設(shè)計增強(qiáng)了雷達(dá)物位計的性能，開辟了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。幾年前，雷達(dá)物位計中還沒有太多的技術(shù)參數(shù)，現(xiàn)在它的頻率范圍滿足了許多新的解決方案提出的要求。在雷達(dá)物位計的設(shè)計中需要經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計師和高度現(xiàn)代化且有價值的技術(shù)，但要求雷達(dá)物位計的使用操作和安裝應(yīng)用應(yīng)盡可能簡便。對于雷達(dá)物位計的使用者來講，了解不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和雷達(dá)物位計的佳使用情況是一件非常難的工作。

 

有兩種方法可以檢測到檢測儀與充填物表面的距離，即脈沖雷達(dá)技術(shù)和FMCW雷達(dá)技術(shù)。在脈沖雷達(dá)方法中，微波脈沖的運(yùn)行時間由專門的掃描設(shè)備進(jìn)行檢測；在FMCW雷達(dá)技術(shù)中則用頻率范圍內(nèi)調(diào)制信號的持續(xù)時間來換算。對于雷達(dá)物位計的使用者來講，這兩種方法幾乎沒有區(qū)別，僅僅是在處理FMCW波雷達(dá)信號時需要一個FFT（快速傅里葉變換）。它需要性能更好的微處理器，能源費(fèi)用更高，但檢測速度更慢。本文針對于不同頻率的雷達(dá)液位計的各自的優(yōu)缺點(diǎn)向各位作介紹，幫助朋友們在本企業(yè)的物位計選型時有的放矢，正確地選擇合適的測量儀表。

 

6GH雷達(dá)物位計

圖1 6GHz發(fā)射頻率的雷達(dá)物位計：發(fā)射頻率非常寬，從不同的表面范圍反射信號，受內(nèi)部安裝構(gòu)件的干擾大。

 

在雷達(dá)物位計的初期，頻率范圍的選擇還與合適的電子元器件的選擇有關(guān)。因此頻率范圍一般都使用10GHz的頻率。后來，人們主要使用全球認(rèn)可的頻率范圍，例如C、K和W頻率帶寬，出現(xiàn)了6GHz、25GHz和75GHz的頻率。每一個頻率都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此在雷達(dá)物位計中沒有佳頻率這一概念。究竟選用哪一個頻率主要取決于雷達(dá)物位計的使用情況。但目前頻率范圍在25GHz的雷達(dá)物位計能夠在不同的應(yīng)用中安全、可靠地運(yùn)行，這一頻率范圍的雷達(dá)物位計市場占有率高達(dá)80%左右。

 

衡量雷達(dá)物位計性能的一個重要指標(biāo)是系統(tǒng)的靈敏度，即能夠接收盡可能大和盡可能小的反射信號。在過去的幾年里，人們對雷達(dá)物位計靈敏度的研究做了大量的工作，新的微波元器件帶來了全新的應(yīng)用可能性。尤其是對松散物料充填高度進(jìn)行檢測的雷達(dá)物位計，靈敏性非常重要，因?yàn)橐徽Ｑ鄣墓Ψ?，發(fā)射出去的雷達(dá)波很快被就反射回來。檢測松散物料的雷達(dá)物位計靈敏度高可達(dá)100dB，表示雷達(dá)物位計能夠檢測的小信號是發(fā)射信號的百億分之一。若把這一靈敏度換算到機(jī)械性檢測中，例如載重汽車的地磅，若地磅的重量檢測精度與雷達(dá)物位計的檢測精度相同，那么它就能檢測出額定載重量40t貨車滿載后，車上多一根頭發(fā)絲與少一根頭發(fā)絲的重量差異。

 

25GH雷達(dá)物位計

圖2 25GHz發(fā)射頻率的雷達(dá)物位計：發(fā)射頻率較窄，不同范圍中有很好的平均反射值，受內(nèi)部安裝構(gòu)件的干擾小

 

天線系統(tǒng)的選擇

 

為了能夠在不同的應(yīng)用中充分利用雷達(dá)物位計的優(yōu)點(diǎn)，雷達(dá)物位計的天線應(yīng)與其使用情況相匹配。一般情況下，雷達(dá)物位計的天線按照3種不同的原理來設(shè)計，即基于反射技術(shù)的雷達(dá)天線，例如：喇叭形天線或者拋物面衛(wèi)星天線；利用塑料表面計算微波的雷達(dá)天線，例如：鞭狀天線或者球形天線；通過導(dǎo)電電纜傳導(dǎo)PTFE或者陶瓷基板所接收輻射信號的平面天線。從技術(shù)上講，所有的天線都可以與不同的頻率范圍配套使用，但在頻率較低的時候所需的天線面積較大，從而很快受到機(jī)械設(shè)計技術(shù)的限制。

 

因?yàn)槔走_(dá)天線系統(tǒng)的大小與所使用的頻率有密切的關(guān)系，所以頻率是選擇雷達(dá)物位計的一個重要參數(shù)，高頻率的雷達(dá)物位計更具優(yōu)勢。例如，雷達(dá)物位計的頻率加倍，則只需使用原來1/4大小的天線就能夠獲得相同的信號。另外，高頻率的雷達(dá)物位計能夠有效地減少由安裝部件、攪拌機(jī)或者容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的干擾反射波。雷達(dá)頻率*高，所使用的雷達(dá)物位計就*小。

 

但是，較小的天線對雷達(dá)增益是不利的，因?yàn)槟承?yīng)用中需要利用雷達(dá)的方向性放大信號。面積較大的天線可以接收更多的能量，產(chǎn)生較大的信號。這一點(diǎn)對那些不易反射雷達(dá)波的物體檢測非常重要，例如在塑料粒料或者稀釋劑的檢測。

 

不受使用條件的影響

 

雷達(dá)技術(shù)的大優(yōu)點(diǎn)是流程設(shè)備所采用的工藝技術(shù)幾乎對這一檢測技術(shù)不產(chǎn)生影響；對于不同的應(yīng)用，雷達(dá)物位計都有合適的安裝方式。

 

雷達(dá)微波的傳播幾乎與溫度無關(guān)，只有在被測工作壓力高達(dá)1MPa以上時被測介質(zhì)壓力對雷達(dá)物位計檢測結(jié)果才會有影響。

 

一般情況下，雷達(dá)微波的傳播與被測容器中的氣體介質(zhì)成分無關(guān)，但也有例外，例如：氨和氯乙烯。它們對微波有衰減作用，且頻率*高衰減也*大。這就意味著在實(shí)踐中要使用發(fā)射頻率較低的雷達(dá)物位計，尤其是在進(jìn)行大范圍檢測時。

 

75GH雷達(dá)物位計

圖3 75GHz發(fā)射頻率的雷達(dá)物位計：發(fā)射頻率非常狹窄，僅在較小的范圍內(nèi)采集反射信號，大量的反射波反射到容器壁上，因此接收到的反射信號較少，內(nèi)部安裝構(gòu)件的干擾較少

 

特殊工況下的液位檢測

 

一般情況下，對液體介質(zhì)的液位高度進(jìn)行檢測是一件相對容易的事情，因?yàn)橐话闱闆r下液體介質(zhì)的表面是平整的，把雷達(dá)物位計發(fā)射出來的雷達(dá)波直接反射回去。在流程工藝領(lǐng)域中，在攪拌機(jī)或有蒸汽的容器中填充物料的檢測則是另外一種情況。

 

因?yàn)椴▌印⒆兓谋砻鏁岩徊糠掷走_(dá)信號反射到接收天線接收不到的地方，例如被測介質(zhì)在攪拌機(jī)中上下翻騰時大部分雷達(dá)信號都被無規(guī)律地反射到容器壁上。在這里增強(qiáng)雷達(dá)信號的聚焦反而有害。同時，要求有足夠大面積的接收天線，以保證足夠的接收信號。

 

冷凝水和一些噴射狀的介質(zhì)往往會滯留在接收天線上，反射、衰減接收到的微波。這里，滯留沉積的厚度與雷達(dá)物位計發(fā)射微波的頻率成比例。由于高頻微波的波長較小，因此滯留、沉積的物質(zhì)嚴(yán)重影響信號接收的質(zhì)量。實(shí)踐證明，1mm厚的沉積物對25GHz頻率微波的影響約是6GHz頻率微波的3倍、75GHz時大約是10倍。容器內(nèi)被測介質(zhì)表面的泡沫對微波的影響更大，頻率*高泡沫帶來的衰減也就*大。主要原因是因?yàn)椴ㄩL較短和泡沫所帶來的信號損失。

 

在對液體介質(zhì)的液位進(jìn)行檢測時，一個很好的折衷辦法就是使用頻率范圍為25GHz的雷達(dá)微波。這一頻率的雷達(dá)物位計有很好的信號聚焦性能，而且對天線系統(tǒng)上冷凝水的滯留、沉積非常不敏感。通過過去幾年的努力，這一頻率雷達(dá)物位計的靈敏度獲得了大大提高，很快還會推出檢測含有泡沫的液體介質(zhì)液位的檢測儀。

 

不同雷達(dá)物位計發(fā)射頻率比較

 

松散物料的檢測

 

由于松散物料所形成的傾斜角，部分雷達(dá)信號被松散物料表面發(fā)射到側(cè)壁上，而且松散物料*細(xì)、反射到側(cè)壁上的雷達(dá)信號就*多。換言之，顆粒粗大的松散物料比顆粒細(xì)密的松散物料更容易檢測。一般情況下，總是用松散物料的粒度與雷達(dá)物位計的波長或者頻率之比表示兩者相互關(guān)聯(lián)的衡量尺度。當(dāng)用頻率為75GHz的雷達(dá)物位計對某松散物料進(jìn)行檢測時，如果松散物料的粒度細(xì)3倍則該物位計獲得的反射波相當(dāng)于25GHz頻率物位計的反射波。在實(shí)際應(yīng)用中，對水泥、細(xì)面糖或者石英砂進(jìn)行檢測時，人們感覺不到75GHz頻率雷達(dá)物位計與25GHz雷達(dá)物位計有什么區(qū)別，因?yàn)榉瓷湫盘柕膹?qiáng)度基本相同。

 

采用能夠發(fā)出特殊增強(qiáng)信號的聚焦天線系統(tǒng)的物位計檢測結(jié)構(gòu)件很強(qiáng)的圓形料倉倉壁、或者被檢測的料倉壁內(nèi)有輔助部件和支撐件時效果好。檢測過程中信號重合性好，幾乎沒有干擾反射，檢測軟件也非常簡單，只需選擇回波信號作為正確的信號就可以。松散物料可以作為一個較大的反射斑點(diǎn)，它具有較大的反射波束等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)松散物料的粒度較大時，可以反射到許多檢查點(diǎn)上，甚至比強(qiáng)聚焦的信號具有更強(qiáng)的反射。另外，在向料倉充填松散物料時很少有均勻?qū)ΨQ的堆積漏斗或者錐形堆，此時，信號聚焦性能較低的天線對這種充填物表面的檢測非常有利。

 

在松散物料檢測中，粉塵是一個非常重要的影響因素，其中包括粉塵在天線上沉積的影響。一般情況下，空氣中的粉塵對雷達(dá)發(fā)射的微波幾乎沒有影響，只有在強(qiáng)粉塵環(huán)境中，例如壓縮空氣輸送松散物料時產(chǎn)生的強(qiáng)粉塵環(huán)境，所產(chǎn)生的信號衰減對高頻雷達(dá)物位計的信號有明顯的影響。

 

沉積在天線上的粉塵對檢測結(jié)果有很大影響，高頻雷達(dá)物位計發(fā)射的微波波長*短，粉塵對信號的衰減就*強(qiáng)。換言之，高頻雷達(dá)物位計受到天線粉塵沉積的影響比低頻雷達(dá)物位計的要大。當(dāng)25GHz頻率的雷達(dá)物位計接收天線覆蓋著厚厚的沉積污垢時，75GHz頻率的雷達(dá)天線就須利用壓縮空氣來清除沉積在天線上的粉塵。這樣就增加了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用，從而增加了流程設(shè)備使用運(yùn)行成本。

 

頻率范圍的選擇

 

實(shí)踐證明，雷達(dá)物位計的每一個頻率范圍同時具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此在選擇雷達(dá)物位計時須考慮它的使用環(huán)境，在編寫合適的軟件算法語言時把豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)容納其中，根據(jù)使用條件簡單確定雷達(dá)物位計的選擇原則。在許多情況下信號聚焦較小的25GHz雷達(dá)物位計可以代替75GHz的高頻物位計。通過簡單的物位計與被測充填介質(zhì)的匹配，使得檢測儀器能夠根據(jù)典型的回波信號進(jìn)行分析檢測，能夠在不同的被測介質(zhì)和不同形狀的容器中得出令人滿意，且不受污垢影響的可靠結(jié)果，保證了流程設(shè)備擁有較長的免維修周期。