20世纪60年代中期,国外开始生产使用雷达液位计。它是一种采用微波测量技术、非接触式的液位测量仪表,主要用于海船油槽液位测量,克服了使用机械式接触型液位仪表的诸多缺点。随后,雷达液位计被用于岸上储罐液位和炼油装置中液位的测量。随着石油化工行业的发展,其应用范围日益广泛,特别是较高的精度满足了物料计量要求。

雷达液位计有脉冲微波方式(PTOF)和调频连续波方式(FMCW)两种工作模式,分别对应不同的测量原理。PTOF是一种“俯视式”时间行程测量系统,通过天线发射固定频率的微波脉冲,测量系统根据反射的微波脉冲计算液位;FMCW则是通过天线发射频率被线形调制的连续波,根据发射波与回波的频率差计算液位高度。

在发展过程中,雷达液位计不断改进和完善。例如,采用更先进的技术提高测量精度,增加功能以满足不同的应用需求,以及通过优化设计降低成本等。同时,随着工业自动化和智能化的发展,雷达液位计也逐渐与其他系统集成,实现更高效的生产和管理。

近年来,雷达液位计在全球范围内得到了广泛的应用。在化工、石油、制药、食品等行业中,雷达液位计被用于储罐、反应釜、管道等设备的液位测量,以确保生产过程的安全和稳定。此外,在水利、环保、市政等领域,雷达液位计也被用于水位、液位的监测和控制。

我们福州盛博电子有限公司(CHINASIMBA),成立于2004年,是全球首台太赫兹120GHz雷达物位计的开发者和发布者,在过去的20年中,保持初心,专注于设计、制造工业自动化产品。

CHINASIMBA是中国雷达物位测量技术的耕耘者,在脉冲雷达、多普勒雷达、FMCW调频波雷达、120GHz太赫兹3D物位扫描仪计量级磁致伸缩液位计等测量技术领域不断推陈出新,为世界各地的行业级客户解决应用提供技术后盾。过去二十年我们为30家行业企业提供雷达OEM产品,为全球150个客户提供各种民用雷达产品。

毫米波雷达测量液位的工作原理是基于高频电磁波的发射、接收以及先进的信号处理技术。雷达系统首先通过发射天线向待测液面发射毫米波信号,这些信号在遇到液面时会发生反射。反射回来的电磁波信号被接收天线捕获,并转化为电信号进行处理。信号处理单元会对接收到的信号进行放大、滤波以及解调,以消除噪声和干扰,提高信号的信噪比。通过分析信号的飞行时间,结合电磁波在空气中的传播速度,可以精确计算出雷达天线与液面之间的距离,从而得出液位的高度。这种非接触式的测量方法不仅具有高精度和高灵敏度,还具备无磨损、无需维护等优点,适用于各种复杂环境下的液位监测。

 

图1

B-测量盲区范围;E-量程设定;F—满罐的高度(高低位设定); D—探头至介质表面的距离;L—测量实际液位;雷达信号从发射到接收的运行时间与探头到介质表面的距离D成正比,即: D=v*t/2 式中,t—脉冲从发射到接收的时间间隔,v—波形传播速度     因空罐距离E已知,故实际物位的距离L为:  L=F-D   式中,F实际测量工作量程。
 

图2


       FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave),即调频连续波。FMCW技术和脉冲雷达技术是两种在高精度雷达测距中使用的技术。其基本原理为,发射波为高频连续波,其频率随时间按照三角波规律变化。雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律相同,都是三角波规律,只是有一个时间差,利用这个微小的时间差可计算出目标距离
FMCW频率调制连续波,这个名字充分说明了工作原理。从 t 0 作为初始时间开始,传送器电路以时间线性方式增加辐射的频率。(信号的振幅是恒定的,在时间 T 之后,辐射是周期性地重复的)。在图2 所示的例子中,频率在 77GHz 和 80GHz 之间变化。信号大部分被表面反射,部分被干扰物体反射,最后从罐底反射回来,分别经过 t 1 、t 2 、t 3的时间延迟。这些延迟不是由系统直接测量的。接收信号的振幅与反射程度成正比;其频率在 77GHz和 80GHz 之间变化,并保持不变。发出和接收的信号同时存在于天线中。为了进行精确的测量,有必要使发射的频率在时间上呈线性变化。信号处理的原理如图3 所示,混频器用于混合发射和接收的信号,产生一个包含传入信号的和、差频率的信号。一个低通滤波器只让极低频率的差分频率通过。差分频率的频谱提供了回声信号本身,因为频率与延迟时间(移动时间,travel times)成正比,而振幅则与回声信号的强度成正比。
 

图3


雷达液位计的特点概述
雷达液位计,作为一款在复杂工业环境中表现出色的测量设备,凭借其卓越的性能和广泛的适用性,赢得了众多行业用户的青睐。以下是雷达液位计的几个显著特点:
(1) 持续稳定的高精度测量
雷达液位计基于电磁波原理进行非接触式测量,其测量过程几乎不受外部环境干扰。因此,无论面对何种介质,包括有毒、腐蚀性介质,或是固体、液体、粉尘性、浆状介质,都能提供准确、快速的测量结果。同时,探头对温度、压力和气体的变化表现出极高的稳定性,即使在极端条件下(如500℃高温或50bar高压),也能确保测量精度的可靠性。
(2) 卓越的干扰抑制能力
在复杂的工业环境中,波束范围内的接头、进料或出料噪声等因素可能会对测量结果产生干扰。然而,雷达液位计内部配备了先进的模糊逻辑控制功能,能够有效抑制这些干扰回波,确保测量数据的准确性和可靠性。
(3) 高精度、高安全性与环保性
雷达液位计在真空或受压状态下都能提供精确且安全的测量,满足各种工作环境的需求。同时,其材料具有出色的化学和机械稳定性,不仅可靠性高,而且符合环保要求,材料可以循环利用,降低对环境的影响。
(4) 出色的耐用性和可靠性
雷达液位计采用微波技术,不受外界干扰,并且不与测量介质直接接触。因此,它几乎适用于所有类型的测量场合,如真空测量、液位测量或料位测量等。高级材料的使用使其能够在复杂的化学和物理条件下长期稳定运行,为用户提供准确可靠的模拟量或数字量物位信号。
(5) 简便的维护与操作
为了方便用户的使用和维护,雷达液位计配备了故障报警和自诊断功能。当设备出现故障时,操作显示模块会提供错误代码,用户可以根据错误代码轻松分析并排除故障。此外,维护和校正流程也得到了大大简化,降低了用户的维护成本和时间。
(6) 广泛的应用范围
雷达液位计几乎可以测量所有类型的介质,无论介质类型、容器形状还是工作环境如何。无论是球罐、卧罐、柱形罐还是圆柱椎体罐;无论是储罐、缓冲罐、微波管还是旁通管;无论是液体、颗粒还是料浆,雷达液位计都能提供精确的液位测量数据。这种广泛的适用性使其成为工业测量领域中的佼佼者。

 

雷达液位计安装
雷达液位计能否正确测量,依赖于反射波的信号。如果在所选择安装的位置,液面不能将电磁波反射回雷达天线或在信号波的范围内有干扰物反射干扰波给雷达液位计,雷达液位计都不能正确反映实际液位。因此,合理选择安装位置对雷达液位计十分重要,在安装时应注意以下几点:

(1)    雷达液位计天线的轴线应与液位的反射表面垂直。
(2)    罐内的搅拌阀、罐壁的黏附物和阶梯等物体,如果在雷达液位计的信号范围内,会产生干扰的反射波,影响液位测量。在安装时要选择合适的安装位置,以避免这些因素的 干扰。
(3)    )喇叭型的雷达液位计的喇叭口要超过安装孔的内表面一定的距离(>10mm)。棒式液位计的天线要伸出安装孔,安装孔的长度不能超过100mm。对于圆型或椭圆型的容器,应装在离中心为1/2R(R为容器半径)距离的位置,不可装在圆型或椭圆型的容器顶的中心处,否则雷达波在容器壁的多重反射后,汇集于容器顶的中心处,形成很强的干扰波,会影响准确测量。

图4

    建议距离罐体内壁至安装短管的外壁应小于等于罐直径的L/4。
    最佳安装位置为①,离罐壁最小距离为300mm,建议安装距离>=500mm
    不能安装在进料口的上方②
    不能安装在中心位置③,如果安装在中心位置,会产生多重虚假回波,干扰回波导致信号丢失
    如果不能保持仪表与罐壁的距离,罐壁上的介质会黏附造成虚假回波存储

 

接触式物位测量的历史

 HISTORY OF 

 CONTACT LEVEL MEASUREMENT 


       接触式测量是一种常见的物理测量方法,它能够通过直接触碰物体表面来获取物体的属性信息,是一种广泛应用于科技、工业和生活领域的经典测量方法。接触式测量方法有着突出的优势,不仅可测量多种物理量,而且精度可控。连续接触式物位测量技术可以追溯到20世纪20年代,为解决燃料油的存储和输送,温德尔·霍尔曼发明了“浮球液位计”装置,但此类设备需要大量维护,使用感受并不理想。随着科技进步与时代变迁,人们对于精度和效率的要求也不断提升。

      导波雷达物位计是一种利用电磁波进行物位测量的仪器。20世纪80年代,雷达技术逐渐应用于工业自动化领域。由于传统的物位测量方法,虽然在一定程度上能满足测量需求,但在复杂环境下,准确性和稳定性有所不足。雷达物位测量技术具有适应复杂环境而不受介质影响的突出特点,因而得到了快速发展。

 

导波雷达物位计测量原理

 MEASURING PRINCIPLE 

导波雷达物位计是采用TDR(Time Domain Reflectometry)时域反射测量技术的接触式物位测量产品。它的测量原理是,在探杆顶部产生一个可靠的基准脉冲,向缆式或杆式导波杆发射低功率测量脉冲,内置的TDR阶跃脉冲发生器每秒产生约三百万个能量脉冲沿导波杆传输,并传导到达测量介质的表面,将发射脉冲和回波脉冲之间的时间差换算为距离,并由此计算总液位和界面液位。

■ 能耗低

信号直接沿着探杆传输,仅需远低于非接触式雷达物位计的发射能量就可以完成一次测量,信号衰减很小。

■ 接收信号能量强

信号在探杆中传输,能量集中,不受测量环境变化影响,如:汽化环境、液面沸腾、内部障碍物等。

■ 适应范围广

介电常数高低和密度大小的变化不会对测量性能造成影响,应用范围广泛。

■ 可分辨混合液体分离层

导波雷达物位计的探杆可以穿透混合液体的各个介质层,反射回多个信号,可用来分辨混合液体分离层的界面。

 

        因此,导波雷达物位计极大地弥补了非接触式测量方案的不足。

       上述的导波雷达物位计特性决定了其测量范围广泛,可以测量不同形状、不同粘稠度、不同介质的物体,如液体、固体、混合液体、浆液等。受环境影响较小,不受温度、湿度、压力、噪音、粉尘、粘附、蒸汽等因素的影响,尤其适用于恶劣环境下的物位和界位的测量。因此,导波雷达物位计被广泛应用于电力、石油和天然气、化工、制药、食品饮料等领域,各类储罐、立管、旁通管的测量。

ANL-8010与ANL-8010H
导波雷达物位计的技术创新

 INNOVATION OF ANL-8010/8010H 

20年来,通过对工业雷达过程测量技术持续不断的精研和创新,福州盛博电子有限公司出品的通用型导波雷达物位计ANL-8010和高温高压型导波雷达物位计ANL-8010H,实现了多项技术创新和多项技术优势:

01支持极低介电常数介质的测量
通过专用的回波检测电路、软件算法、动态增益控制等手段,可测量DK>1.2的极低介电常数物料。

02陶瓷石墨双重密封技术
在极端严苛的(过程温度范围-196~450℃,或高达40MPa的过程压力)高温高压工况条件下,陶瓷石墨双重密封工艺,为高温高压、有毒介质、危险区域的应用提供安全测量。

03 自动气相校正技术
电磁波在蒸汽状态下传输速度与在空气中的传输速度不同,我司采用自动气相校正补偿技术,有效地消除了蒸汽对液位测量的影响。

04 高分辨率的界面测量技术
可以检测低至10cm的油水分层,以及含有乳化层的界面测量应用,而不受温度和压力变化的影响,为控制系统精确地将多介质层分离提供可靠支撑。

05 罐底反射和末端投影检测算法
通过罐底跟踪和有效地探测探杆末端回波位移等算法,实现不同介电常数介质的测量。

06 工业互联数字化总线技术
支持HART、MODBUS、Profibus、IO-Link、Ethernet-APL等多种工业总线技术,以及更适合于工业现场使用的BLE低功耗Bluetooth蓝牙无线技术,实现仪表的各类参数配置和信号质量监测。

07 状态监测和诊断状态标准化技术
符合NAMUR NE43、NE107合规诊断信息标准,最大化物位测量产品的成本效益,实现最终用户对现场设备的高效化维护和资产管理。

 

ANL-8010
通用型导波雷达物位计

 UNIVERSAL GUIDEDWAVE RADAR 

通用型导波雷达物位计ANL-8010,根据探杆的种类分成为四个类型,分别是杆式导波雷达物位计、缆式导波雷达物位计、同轴式导波雷达物位计、卫生防腐型导波雷达物位计。灵活的探杆类型和尺寸结构,适应各类过程应用场合,不受液面波动、粘附、泡沫、介质变化等影响。ANL-8010通用型导波雷达物位计提供多种接液部件可供选择:SS304、SS316L、PEEK、PTFE、PFA等。

高温高压款导波雷达变送器 MKT-24 ANL-8010H 1GHz HTHP GWR_EN[DY0316]
通用型导波雷达变送器 MKT-24 ANL-8010-8010S 1GHz Guided Wave Radar_EN[DY0217]
 

如何更好地了解 并选择AiW-3648来进行对水资源的管理

AiW-3648是如何在质量保证的同时做到高性价比的呢?

概述

当我们关注产品在自然水资源、废水处理、市政公用事业管理等行业的应用的同时,更应关注其在日常生活环境中对自然环境温度的适应性、抗紫外线性、海拔高度和防污染性。

AiW-3648的天线设计

AIW-3648雷达液位计没有采用传统的透镜天线设计思路,也没有复杂的密封和组装结构设计,我们采取了一些,原创设计旨在克服实际工业应用过程中遇到极端、苛刻的环境(过程温度、压力等)。

AIW-3648的天线采用了顶部狭缝反射镜辐射技术,淘汰了成本昂贵的传统透镜天线设计。天线的整体建设成本仅为0.25USD。而且它也是建在房屋内部,不需要外露(房屋材料为PVDF,具有优异的抗紫外线和抗老化性能)。

该天线的波束角为7˚、增益为18dB,其性能足以测量20M范围内的液体/固体液位。 

电子电路集成

AiW-3648的电子部分采用了高度集成的信号处理芯片设计,使得硬件电路简单可靠,同时也大大降低了产品的成本。只需一块电路板就能满足所有必要的功能和性能需求,如:反极性保护、浪涌保护、过压保护、限流和防雷保护。

 

雷达频率影响总结AiW-3648技术数据表   

欢迎进一步探讨和交流。

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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

雷达技术应用于液位/物位测量,从80年代初世界出现第一台雷达物位测量产品,已经历 40+多年来的不断发展过程,雷达液位变送器已成为当今许多工业应用中首选的液位测量技术。对于非接触式雷达液位变送器,雷达发射的微波频率是最近发展的一个领域。通常,有四个不同的频段用于液位测量:C 频段(约 6GHz)、X 频段(约 10GHz)、K 频段(约 26GHz)和 W 频段(约 80GHz)。这些频段结合了许多有吸引力的特性,可实现精确可靠的毫米精度测量。最近,引入了使用 120GHz 频率(D 频段的较低部分)的雷达,作为进一步的选择。120GHz 雷达的使用主要是由于 3D 雷达应用、高精度测量和非极性材料穿透测量的发展。

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

在非常小的储罐中,大约 0.5 到 1.5 米,喷嘴的尺寸和位置可能是一个限制因素。由于测量范围短且需要小天线,因此高频和中频率技术是这些应用的有吸引力的选择。当然,在适当的情况下,必须考虑到前面提到的挑战,如冷凝、污染、湍流和泡沫等。

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。

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