如今的现代工业，工厂竞相以更少的成本消耗生产更多的产品，而微薄的利润率要求企业要不断提高产量和质量。数字化转型使得企业越来越值得考虑进行投资，以便从过程自动化系统和仪器仪表中获取更多的工厂数据。然而，要做到这一点，需要新质的流程程序和产品来访问工厂的每个环节部分的数据，并在每次生产运作中获取更多价值。采用新的以太网高级物理层 Ethernet-APL 以及定义进出现场设备的信息的结构和含义的自动化协议，今后将成为IIoT 在过程自动化中的关键推动因素之一。它将为将数字化世界扩展到过程自动化和仪器仪表提供重要的先决条件。

Ethernet-APL 是基于10BASET1L的单对以太网 (SPE) 的增强物理层。它通过长达 1000 m 的电缆以 10MBit/s 的全双工速度进行通信，比当前技术（如 HART 或现场总线）快 300 倍以上。它是以太网的逻辑扩展，提供了在加工厂领域可靠运行所需的属性。Ethernet-APL 是一个物理层，它能够支持 EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET 或任何其他更高级别的协议。

具有高级物理层 (Ethernet-APL) 的以太网将通过两根电线进行通信和供电，从而实现长电缆长度和防爆保护。基于IEEE和IEC标准，Ethernet-APL支持任何基于以太网的自动化协议，并将发展成为整个过程自动化社区的单一长期稳定的技术。

CHINASIMBA公司最近推出了ANL-9080-APL 和AiW-4120MG-APL雷达物位计，这是一款具备APL通讯接口的二线制产品，可快速接入控制系统和其他业务系统。通讯距离200米，速率10Mbps；通过APL Coupler AEP6101-1E-S，实现基于TCP/IP的应用层实现灵活的应用，实现设备的互通性 支持各种类型的现场仪表（APL仪表、通用仪表、无线仪表等）

Description

过程雷达液位变送器工作在 24GHz 至约 120GHz 的微波与毫米波频率之间。制造商选择不同频率的原因有很多，包括许可证考虑、微波组件的可用性以及感知到的技术优势。有观点赞扬高频雷达、低频雷达或介于两者之间的任何频率的优点。实际上，没有一个单一的频率适合所有的雷达液位测量应用。

如果我们比较 26GHz 雷达和 80GHz/120GHz 雷达，我们可以看到高频和低频雷达的相关优势：

■ 天线尺寸-波束角度

雷达液位变送器的频率越高，相同尺寸天线的波束角度就越集中。对于透镜天线，这允许使用更小的喷嘴和更集中的波束角度。

例如，80GHz 的 G1-½"（40 毫米）透镜天线雷达的波束角度与 26GHz 的 4"（100 毫米）喇叭天线大致相同。

然而，这并不是全部情况。天线增益不仅取决于天线直径的平方，而且与波长的平方成反比。天线增益与以下因素成正比：

天线直径 ² /波长 ²

 

天线的孔径效率也会影响天线增益。因此，高频小透镜天线的波束角度不一定像更大尺寸、低频率雷达的等效波束角度那样高效。一个 4 英寸的喇叭天线雷达在 26GHz 时可以提供出色的波束聚焦。要全面了解不同频率下的天线增益和波束角度，请阅读“cSIMBA 的雷达天线应用说明”。

■天线聚焦与虚假回波

80GHz 的波束角度更集中，但在某些方面，它必须如此。80GHz 雷达的波长仅为 3.75 毫米，而 26GHz 雷达的波长为 11.5 毫米。80GHz 雷达的短波长意味着它会反射许多可能被 26GHz 雷达有效忽略的小物体。如果没有波束的聚焦，高频雷达将不得不应对比等效低频率雷达更多的虚假回波。

■激荡液体和固体测量

高频雷达容易受到激荡介质表面的信号散射影响。这是由于信号波长与表面扰动的大小相比所致。当液体表面激荡时，高频雷达接收到的信号要比等效的 26GHz 雷达少得多。较低频率的雷达受激荡表面的影响较小。无论频率如何，雷达回波处理软件都能够处理非常小幅度的回波信号这一点很重要。

注意：通常情况下，无论频率如何，脉冲雷达在这方面都具有优势。

■ 冷凝和堆积

高频雷达液位变送器更容易受到天线上的冷凝和产品堆积的影响。在更高的频率，如 80GHz 时，信号衰减更大。此外，同样程度的涂层或冷凝在较小的天线透镜上自然会对性能产生更大的影响。频率为 26GHz 的 ANL-8260AG2 透镜天线几乎不受冷凝的影响，对产品堆积的容忍度更高。

 

■蒸汽、粉尘和泡沫

较低的频率，如 26GHz雷达物位计，不会受到高浓度粉尘或蒸汽的不利影响。这些频率在水泥、粉煤灰和高炉物位及蒸汽锅炉物位测量等应用中都非常成功。 在潮湿和多尘的环境中，更高频率的雷达会受到更多的信号衰减。

在潮湿和多尘的环境中，高频雷达的信号衰减会加剧。

注意：通常，对于发射频率较高的雷达，无论蒸汽情况如何，使用较大的透镜天线在这方面都具有优势。 

■泡沫

泡沫对雷达信号的影响是一个灰色区域。这在很大程度上取决于泡沫的类型，包括泡沫密度、介电常数和电导率。然而，较低的频率，如 26GHz，比更高的频率，如 80GHz，能更好地处理低密度泡沫。例如，80GHz 雷达信号会被水面上非常薄的洗涤剂泡沫完全衰减。而 26GHz 雷达信号可以透过这种类型的泡沫，并随着泡沫厚度增加到 150 毫米甚至 250 毫米，仍然能够看到液体表面。

 

注意：对于这种厚泡沫测量应用，80GHz 雷达和小透镜（50 毫米）并不是最佳的产品选择，这通常会导致不稳定和液位跳跃。建议使用直径至少为 80 毫米的透镜天线的 80GHz 雷达，在这方面有优势。

泡沫的厚度会导致轻微的测量误差，因为微波在穿过泡沫时会稍微减慢。

■最小距离

与较低频率相比，较高频率的雷达具有较小的最小距离（近盲区）。当在小容器和静止管中进行测量时，80GHz/120GHz 可能是首选。

■雷达频率影响总结

1.发射频率越高，聚焦效果越好，意味着更高的天线增益（方向性），更少的虚假回波和更小的天线尺寸。

2.较高发射频率下，由于冷凝、堆积、蒸汽和粉尘导致的信号阻尼（信号波动），会降低信号强度。

3.动荡介质表面（波浪运动、固体物料锥、信号散射）会导致更高的阻尼。

引用

由于液体、粉末和固体的可用应用的变化和复杂性，认为任何一种液位变送器技术都可以被视为‘通用’是不现实的，也是不负责任的。然而，鉴于雷达液位变送器在过去几年中确立自己的速度，这表明这种技术比以往任何一种原理都更接近这一定义。”——Mel Henry

概述

频率是任何雷达的基本属性，因为它对测量性能有直接影响。重要的是要记住，不同的频率并非都适合所有的应用。事实上，需要使用不同频率的雷达来解决不同的问题。

本文将首先描述不同频率的基本物理特性，然后解释这些特性在一些常见的实际液位测量应用中的实际影响。为此，本文将区分非接触式雷达发射器使用的低微波频率（6GHz～10GHz）、中频率（26GHz）、高频率（80GHz）和太赫兹频率（120GHz）。

频率和波长的关系

从根本上说，雷达液位变送器通过发射微波来测量距离。微波通常定义为波长在 300mm 到 3mm 之间的电磁辐射。波长与微波频率成反比，即短波长=高频率。在微波的情况下，λ=300mm 对应 f=1GHz，λ=3mm 对应 f=100GHz。下面总结了低、中、高频雷达的特性。这些不同的物理特性直接影响每个频率在不同液位测量应用和条件下的适用性。

首先高频微波信号在通过介质传播时会遭受更多的衰减（即被更高程度地吸收），导致信号返回较弱。打个简单的比方，当你听到邻居播放的响亮音乐时：低频声音（即低音）会传播很远的距离，即使穿过墙壁也能清晰地听到。然而，高频声音（即高音）会很快被吸收，不会在长距离或穿过物体时传播。对于液位测量来说，这意味着高频雷达更容易出现冷凝、蒸汽、泡沫、天线积垢和灰尘等问题。波长在 50 毫米到 10 毫米范围内的低中频信号受这些挑战的影响较小，更有可能不受影响地通过。

另一个重要的影响是频率会影响天线波束宽度和波束角度，即微波传播的聚焦程度。高频信号可以用小天线实现小的波束角度。同样，低频雷达也可以实现小的波束角度，但这需要更大的天线。小的波束角度在液位测量中的好处是可以更容易避免撞到罐内的装置。

然而窄波束宽度也可能是一个缺点。例如，如果障碍物直接位于雷达下方，窄波束将完全被阻挡，但波束较宽的雷达只会部分被阻挡，仍然能够测量产品液位。

根据经验得出的一个实际限制是，波束角度最好尽可能不小于 3°，除非用于测量直管中的液位并且液位静态平坦，例如在油罐中。较窄的波束使安装对天线的对准敏感。考虑极端情况：如果雷达的波束像激光一样，几乎不可能使其与实际储罐的铅垂线对齐。因此，反射波束将错过天线，信号将丢失。

最后，液体表面的波浪和涟漪在工业应用中很常见，可能会给雷达液位测量带来问题。微波击中湍流表面时，可能会散射和分散，而不是向上反射回天线。因此，信号强度（多达 90%）可能会丢失，导致雷达在获得准确可靠的液位测量方面出现问题。如果波长大于波纹尺寸，微波将不受表面不规则性（如湍流）的影响。例如，高频雷达的信号返回将受到大小为 3.8 毫米的涟漪的影响和散射，而中程频率将不受高达 2.5 倍大的湍流的影响，并像从平坦表面反射一样反射。

低、中、高和太赫兹频率：优势和劣势

显然，频率对雷达最适合的应用类型有重大影响。以下是一些常见液位测量应用中存在的挑战以及频率选择的影响的指南。

适用范围

对于易脏且易受污染的应用

在雷达液位变送器运行期间，随着时间的推移，污垢和污染物会积聚在天线镜头上，这会影响雷达信号的强度和方向。对于工作在低中频率收发器的雷达液位计，回波信号对这种污染不太敏感，并且可以或多或少地不受积聚物的影响通过。对于工作在高频的雷达信号，污垢覆盖的天线会吸收更多能量，并且光束的方向也可能发生偏移。覆盖天线一部分的不均匀厚度的沉积物可以将光束重定向约 1.5°。对于波束角较窄的雷达，这可能会导致严重的问题，因为返回的回波不指向天线，导致信号强度损失。因此，低中频率技术更适合肮脏和污染的应用。

对于存在蒸汽和冷凝的储罐应用

雷达液位计面临一些挑战。水对微波的反射比大多数工业液体更强烈。因此，蒸汽和冷凝会使产品表面的反射被水滴形成的“噪声”所掩盖。对于高频信号，这种问题更为严重，因为它们的较短波长也会强烈反射来自蒸汽和气溶胶等微小颗粒的信号。因此，低中频率技术更适合蒸汽和冷凝的应用。然而，需要注意的是，对于冷凝应用，天线的设计也至关重要。应避免使用具有平坦水平表面的天线。

有湍流、波浪和涟漪的应用

一般来说，低中频率在有湍流、波浪和涟漪的应用中表现最佳。液体表面上的小涟漪对高频测量尤其不利。短波长意味着信号反射也会因小表面运动而散射，导致返回信号强度损失。较长的波长反射得像来自平坦表面一样，因此更适合这种应用。

有泡沫的应用

与污垢和冷凝物一样，液体顶部的泡沫层会吸收雷达信号，使测量变得更加困难。泡沫的特性因其来源的产品而异，但同样，较低频率通常提供更好的测量可靠性和准确性。对于浓而厚的泡沫（例如啤酒、糖蜜和乳胶），10GHz效果最佳。对于较轻的泡沫，26GHz 表现良好。80GHz高频技术应尽量避免在有泡沫的应用中使用。

对于大型液体储罐/浮顶罐应用

在非常大的储罐中，例如用于在储罐终端进行大型液体储存的储罐，选择雷达设备时，喷嘴的尺寸和位置通常不是问题。储罐内的障碍物和干扰物通常也不是问题。由于容器的尺寸，液体表面上经常存在波浪和涟漪。冷凝也很常见。如前所述，这对高频技术来说是个问题。许多大型液体储罐都是浮顶罐，其测量是通过静止管道进行的。低频率雷达是首选，因为它们对管道壁、缝隙和不完全直的管道上的积聚不太敏感。高频雷达在这种情况下会遇到困难。此外，由于环境昼夜温差、阳光照射及风力等造成储罐膨胀收缩，大型液体储罐的屋顶通常会有产生剧烈的颤动。这对高频雷达是一个问题，因为它们狭窄的波束宽度使得它们对倾斜非常敏感，如果轴偏离垂直铅垂线。倾斜会导致反射信号“错过”天线开口。这也使得高频雷达的安装具有挑战性，因为它们必须完全水平安装才能正常工作。因此，低频率技术是这种应用的最合适选择。

对于中小型容器

应用这种容器通常高 1 到 20 米，是过程工业中最常见的一种。它们被用于广泛的任务，从中间储存到混合、分离和作为反应容器。工艺连接通常为 2 英寸至 4 英寸，罐内条件通常很困难，有一个或多个挑战，如冷凝、污染、湍流、泡沫等。由于其多功能性，即结合了小天线和在困难条件下的良好可靠性，因此在这种罐中，中频率技术是一个不错的选择。低频率雷达可能不太合适，因为其尺寸较小，而高频技术则不太能应对困难的工艺条件。

对于小型储罐或桶的应用

对于固体

固体的测量，最佳频率的选择很大程度上取决于应用场景。每种技术都有其优点和缺点。低频段和中频段能够处理粉尘、冷凝和粗固体。高频段适用于非常精细的粉末。对于高频雷达，冷凝通常是一个挑战，但对于固体，另一个问题是：冷凝与某些固体结合会导致材料快速堆积。这会迅速堵塞小喷嘴开口，并覆盖高频雷达的小天线。

总结

雷达液位测量技术已经发展了 40+ 多年，而且还在不断发展和改进。最近推出的高频段雷达可能在小型储罐、小尺寸工艺连接和短测量范围的液位测量应用中具有优势。

然而6GHz～11GHz 和 24GHz～29GHz 频率对于可靠的毫米精度液位测量的基本适用性不容忽视。高频技术通常在不太具有挑战性的工艺条件下表现良好，但基本微波物理学告诉我们，当遇到困难时，它不太适用。

相反，低频段和中频段技术是专门为满足最苛刻的工业应用中最困难的液位测量挑战而开发的。这些仪器之所以如此成功，是因为它们在几乎所有应用中都能提供可靠和准确的测量。