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青島同華電力設(shè)備有限公司


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經(jīng)營模式:生產(chǎn)廠家

商鋪產(chǎn)品:20條

所在地區(qū):山東青島市

聯(lián)系人:孫巖 (總經(jīng)理)

技術(shù)文章

如何讓雷達物位計實現(xiàn)性能?

閱讀:183發(fā)布時間:2022-11-27

  l雷達物位計中雷達的頻率、天線設(shè)計、智能算法和安裝位置,對罐體或筒倉料位的成功測量都起著重要的作用。越是復(fù)雜和對精度要求高的應(yīng)用,獲取頻率和天線的設(shè)計就越關(guān)鍵。

  

  用于料位測量時,自由空間雷達發(fā)射器通常使用6、26和80GHz頻率。最近,有很多關(guān)于高頻雷達發(fā)射器的炒作,一些公司聲稱:頻率越高,性能就越好。其實,這不一定是真的。相反,精度取決于頻率、波束角、天線配置和安裝,但最重要的還是產(chǎn)品本身的介電常數(shù)。

  

  自由空間雷達發(fā)射器

  

  自由空間雷達發(fā)射器有兩個主要的操作原理:飛行時間(TOF)和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)。每個都以“時間"作為距離測量的基礎(chǔ),但是計算的方式各不相同。

  

  TOF雷達使用發(fā)射器發(fā)射的微波脈沖。當(dāng)微波能量到達被測對象時,由于介電常數(shù)(氣相、液體或固體表面)的變化而導(dǎo)致阻抗發(fā)生變化,微波能量被反射。反射能量取決于被測材料的介電常數(shù)。高介電材料,比如水會反射出全部或大部分的能量。低介電材料,如碳氫化合物,則反射的能量較少。

  

  微波以光速移動,雷達檢測微波脈沖到達表面并返回所需要的時間。所得的時間除以二,獲得距離測量表面的距離。發(fā)射器從測量范圍減去距離測量,就能得到儲罐內(nèi)或筒倉的料位。

  

  調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達,同樣將微波能對準(zhǔn)被測材料的表面。和TOF雷達一樣,反射的能量取決于材料的介電常數(shù)。調(diào)頻連續(xù)波雷達發(fā)射連續(xù)的能量流而不是脈沖,頻率是連續(xù)調(diào)制或變化的。所以,對于一個80 GHz FMCW雷達而言,發(fā)射器的頻率可能會從79GHz開始,然后逐步上升到81GHz。

  

  發(fā)射器將從物料表面反射的頻率與發(fā)送出去的頻率進行比較。頻率之差等于微波到達物料表面并返回的時間。就像TOF雷達一樣,從測量范圍中減去距離測量,就能得到應(yīng)用的料位。

  

  盡管廠家援引各種各樣的原因,想說明一種技術(shù)比另外一種技術(shù)更好,但其實無論采用哪種技術(shù)都應(yīng)考慮具體的應(yīng)用細節(jié)。這兩種技術(shù)都使用微波能量以光速傳輸,能量的反射則取決于被測材料的介電常數(shù),所以兩種方法都是通過測量時間來確定距離或者料位。

  

  頻率效應(yīng)

  

  影響測量信號準(zhǔn)確性和可用性的因素有很多,包括頻率、天線類型、安裝條件和被測材料的介電常數(shù)。

  

  發(fā)射器頻率影響精度、波束角度和天線尺寸。與較高頻發(fā)射器相比,低頻發(fā)射器一般不太準(zhǔn)確,因為較低頻率發(fā)射器所產(chǎn)生的信號分辨率較差。圖1顯示了6 GHz和26 GHz雷達發(fā)射器之間的包絡(luò)曲線比較。26 GHz雷達(紅線)產(chǎn)生的脈沖是大約6 GHz脈沖(藍線)長度的一半。這提供了更精確的反射和更高的準(zhǔn)確性。

  

  6 GHz脈沖比26 GHz脈沖寬得多。發(fā)射器解碼此脈沖并確定料位的位置。藍色箭頭表明可以在多個點解碼。發(fā)射器可以將前沿、中心或以下邊緣解碼為料位,從而會影響精度。由于26GHz發(fā)射器脈沖更尖銳,這就將解碼限制到一個點,如紅色箭頭所示。結(jié)果是,在過程應(yīng)用中,6 GHz發(fā)射器的精度通常是6到10毫米,而26 GHz發(fā)射器可以提供2至3毫米的精度。

  

  *的算法可以應(yīng)用到精確度要求小于1毫米的罐體測量。80 GHz雷達反射的波峰也相當(dāng)尖銳,這使得準(zhǔn)確測量料位相對更容易。使用80 GHz的過程雷達,在應(yīng)用中的測量精度可以達到1毫米,而使用80GHz的罐體測量和托管傳輸雷達的精度要小于0.5毫米。

  

  頻率也會影響發(fā)射器信號傳播的波束角。較低頻率的發(fā)射器比更高頻率的發(fā)射器產(chǎn)生更寬的波束角。在某些應(yīng)用中,寬波束角可能比窄波束角更適合。

  

  天線方面的考慮

  

  天線大小和類型也影響波束角。天線頻率越低,天線越小,波束角越寬。增加頻率或增大天線尺寸可減少波束角。

  

  許多人認為,最小波束角度是料位測量的,這是一般規(guī)律。減小波束角可以使微波能量更容易地避開容器壁、攪拌器和罐體內(nèi)部的其它障礙物。

  

  為雷達發(fā)射器配置的波束角,不與容器壁或障礙物交叉,這是的情況。

  

  然而,重要的是需要明白,即使波束與障礙物或墻壁相交,這也并不一定意味著安裝不會成功。與墻壁相交可能會導(dǎo)致一些能量損失,但往往是無關(guān)緊要的。

  

  波束路徑中的障礙物可以被映射出來,以便從信號評估中消除其影響。

  

  人們經(jīng)常認為,如果波束角與容器壁相交,那將不適合于在自由空間雷達中的應(yīng)用。雷達安裝時,波束角不與容器墻壁相交是理想情況,但實際上由于安裝噴嘴和其它因素的干擾,導(dǎo)致幾乎無法實現(xiàn)。通過選擇適當(dāng)?shù)念l率、天線尺寸和容器映射,可以確保大多數(shù)應(yīng)用的成功實施。

  

  測量范圍

  

  頻率和天線尺寸對測量范圍有影響。但被測材料的介電常數(shù)和測量的安裝條件,對測量范圍影響也很大。

  

  低頻信號具有較長的波長,比高頻信號傳輸?shù)木嚯x更長。高頻雷達發(fā)射器可測量范圍約為100英尺,對于大多數(shù)應(yīng)用程序而言,這已經(jīng)足夠了。

  

  天線的尺寸和類型也對傳輸距離有影響。大天線傳輸?shù)木嚯x比小天線傳輸?shù)木嚯x更遠,能量聚焦也更強。喇叭型天線、“淚珠"型、“拋物線"、桿、和平面天線,都是用來滿足不同應(yīng)用需求和測量范圍的天線樣式。

  

  雷達發(fā)射器的安裝條件

  

  即使選擇了雷達,如果安裝不當(dāng),也會造成不良后果。在安裝中必須考慮現(xiàn)有的條件。被測材料的介電常數(shù)、安裝類型、位置和目標(biāo)表面都會產(chǎn)生影響。

  

  凝結(jié),通常由雷達發(fā)射器天線上的水形成,會引發(fā)問題。水的介電常數(shù)高達80dc。在典型的喇叭形天線中,水滴凝聚在喇叭內(nèi)部,會引起干擾并影響電磁信號的發(fā)射。這種干擾會導(dǎo)致信號中的“噪聲"并降低能量。如果凝結(jié)的水足夠多,會導(dǎo)致雷達鎖定近區(qū),導(dǎo)致故障。

  

  為了解決冷凝問題,已經(jīng)開發(fā)出幾種特殊的天線設(shè)計,來避免“冷凝"的影響。如果在應(yīng)用條件下必須使用傳統(tǒng)喇叭型天線,可以添加一個吹掃管線,以防止雷達凝結(jié)或灰塵堆積。因為空氣介電強度很低,它不會干擾微波信號。用壓力為60至70 psi的空氣吹掃,如由電磁閥激活的沖擊波,可以保持喇叭的清潔,這是一種常見而行之有效的方法。

  

  一些制造商提供診斷功能來監(jiān)測耦合區(qū)。當(dāng)凝結(jié)或積灰達到一定水平后,可能會干擾信號。這些*的診斷功能,可以用來進行維護,比如在天線故障前對其進行吹掃工作。提供預(yù)防性維護的能力,減少停機時間和應(yīng)急能力維修需求。

  

  必須考慮容器內(nèi)部的障礙物。攪拌器、加熱線圈、套管、和容器內(nèi)的其它組件,都可能會干擾雷達傳輸。80 GHz雷達較窄的波束角,在避免大多數(shù)的障礙物方面,效果明顯;其余無法避免的部分則需要從信號評估中加以消除,以防止發(fā)射器將障礙物視為虛假料位信號。

  

  通常,干擾信號會被“排除"掉,因此雷達發(fā)射器就會忽略它們。圖2顯示了排除攪拌器干擾的料位測量信號評估。圖2中的紅線是返回的微波能量提供的信號。黑線則消除了攪拌器反射的信號,這樣發(fā)射器就只計算實際的料位信號。對于有效并被視為料位的信號而言,信號水平必定要高于圖中所示。

  

  不僅僅是雷達的頻率,天線設(shè)計、智能算法和安裝位置,也對罐體或筒倉料位的成功測量起著重要的作用。越是復(fù)雜的和對精度要求高的應(yīng)用,獲取頻率和天線的設(shè)計就越關(guān)鍵。



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