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非接触式雷达应用选择最合适的频率时要考虑的因素

来源:作者:上海自动化仪表五厂发表时间:2018-07-10 10:28:45

    随着雷达级仪器技术的改进,各种设备随着过程工业应用中的安装数量而增长。雷达已成为当今许多工业应用中首选的液位测量技术,因为它在过去40年中不断发展和改进(见图1)。对于非接触式雷达仪器,选择由该装置发射的微波频率是一个已经发生了一些有趣的近期发展的领域。采用高频(75至85千兆赫[GHz])技术的非接触式雷达仪器已经推出,补充了已经广泛部署的低频(6至11 GHz)和中频(24至29 GHz)设备,以提供准确可靠的水平测量。为最终用户提供更多设备选择是有益的,但选择一种为每种应用使用最合适频段的雷达仪器至关重要。
频率如何影响测量精度
    雷达仪器发射微波以测量到表面的距离,计算距离脉冲撞击表面并反射回来所需的时间。与所有电磁传输一样,波长与频率成反比 - 波长越短,频率越高。频率是任何雷达仪器的基本属性,因为它以各种方式直接影响测量性能。例如,当通过介质传播时,高频微波信号被更大程度地吸收,因此信号返回较弱(见图1)。想想从墙后发出的音乐:没有听到高频高音范围,但是低频低音可以穿透墙壁。在液位测量应用中,
 
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    图1.当通过介质传播时,雷达信号被吸收,信号强度降低。高频信号比低频和中频信号遭受更多衰减。
    频率也会对雷达设备天线的波束宽度和波束角度产生影响。高频信号可以使用小天线实现小波束角度。小光束角是有益的,因为它有助于避免坦克和容器中的障碍物。低频雷达也可以实现较小的波束角度,但它们需要更大的天线,因此用户需要考虑相关船舶上可用的配件尺寸。同时,窄光束有其自身的缺点。水箱中的障碍物可以完全阻挡窄光束,而较宽的光束可能仅部分阻挡并且仍然可以产生可靠的测量。
    处理液体内的湍流也会影响雷达物位测量,因为撞击波浪和表面上的波纹的微波可以散射和分散,而不是反射回天线。高达90%的信号强度可能会以这种方式丢失,从而影响测量的准确性和可靠性。与高频传输相关的短波长尤其受到影响。
应用适用性
    过程工业中存在许多雷达物位测量应用。每个应用程序都有自己的挑战,因此考虑哪个或哪些频段最适合解决给定问题非常重要。一些例子是:
    肮脏和污染的应用 - 随着时间的推移,天线上积聚的污垢和污染会影响雷达信号的强度和方向。低频和中频信号对这种污染不太敏感,并且可以不受影响地通过积聚。然而,对于高频信号,覆盖天线的任何污垢都会吸收更多的能量,并且光束的方向也可能被转移。覆盖部分天线的厚度不均匀的沉积物可使光束重定向约1.5度。对于具有窄光束角的雷达,这可能导致问题,因为返回回波不会直接指向天线,导致信号强度损失。因此,低频和中频技术更适合。
    具有冷凝和/或蒸汽的储罐 - 冷凝和蒸汽会导致产品表面的反射被水滴的“噪音”遮挡。这对于高频信号来说更是一个问题,因此低频和中频技术是更好的选择。但是,应该注意的是,对于冷凝,天线的设计也是至关重要的。在这些应用中,应始终避免使用具有平坦水平表面的天线。
    具有湍流,波浪和波纹的应用 - 大型储罐中的工艺液体表面通常存在波浪和波纹,这种湍流对高频测量尤其不利。高频器件的短波长意味着信号反射将被小的表面运动散射,导致返回信号强度的损失。低频和中频电平仪器发出更长的波长,使它们表现更好。
泡沫应用 - 就像污垢和冷凝一样,液体顶部的一层泡沫会吸收雷达信号,使精确测量变得更加困难。来自不同产品的泡沫可具有极其不同的性质,但是低频仪器通常提供更好的测量精度和可靠性。对于致密和厚实的泡沫,例如啤酒,糖蜜或乳胶,低频效果最佳。对于较轻的泡沫,中频表现良好。但是,泡沫应用中应避免采用高频技术。
    散装液体储罐 - 许多散装储罐使用浮顶储罐,需要通过静管进行液位测量。低频雷达对于这些应用是优选的,因为除了不完全笔直的槽和管道之外,它们对管壁上的累积不太敏感。在这种情况下,高频雷达存在困难。此外,散装储罐通常具有由阳光和阴影,风和罐体膨胀引起的显着的屋顶运动。这会导致高频雷达出现问题,因为它们的窄波束宽度使它们对倾斜很敏感(见图1)。如果轴从垂直铅垂线移动,则反射信号可能会错过天线开口。
    中小型容器 - 这些容器通常高达20米(m),通常会提供诸如冷凝,污染,湍流和泡沫等具有挑战性的条件。中频技术是这种坦克的不错选择,因为它结合了小天线和良好的可靠性。低频雷达可能不太适合,因为将较大的天线安装到这些容器上常见的小喷嘴中会出现问题,而高频技术则难以应对恶劣的工艺条件。
    小型水箱/水桶 - 在约0.5至1.5米高的小型水箱中,喷嘴的尺寸和位置可能是一个限制因素。较短的测量范围和对小型天线的需求意味着高频和中频技术是这些应用的有吸引力的选择。但是,如前所述,在适用的情况下,必须考虑诸如冷凝,污染,湍流和泡沫等挑战。
    固体 - 为了测量固体含量,最佳频率取决于应用。低频和中频可以应对灰尘,冷凝和粗固体。高频率可与细粉末配合使用。对于高频雷达来说,冷凝通常是具有挑战性的,但是对于固体而言又出现了另一个问题:与某些类型的固体结合的冷凝导致快速的材料堆积。这可以快速堵塞小喷嘴开口并覆盖高频雷达的小天线。
综上所述
    在决定哪种非接触式雷达设备是每种不同水平测量应用的最佳选择时,频段选择是一个至关重要的考虑因素。使用最近推出的75至85 GHz频率范围的雷达是具有小型过程连接的坦克的理想选择,但如果连接尺寸不是限制因素,则低频和中频雷达仪器可以更好地提供准确即使在最苛刻的工业应用中也能进行可靠的液位测量
 
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