不同頻率的雷達物位計測量的差異及各自的優勢分析

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

近年來，隨著科技的迅猛發展，雷達物位計測量技術較以前有了在的發展，不過，要選擇一個合適的雷達物位計并不是個容易的事，因為雷達物位計也分為不少種類，我們在實踐中要結合理論知識和實踐經驗加以通盤考慮。雷達物位計作為復雜的檢測儀器，其組成是由高度現代化的微波元器件和復雜的信號分析處理器構成，新的電子元器件和巧妙的外型設計增強了雷達物位計的性能，開辟了更多的應用領域。幾年前，雷達物位計中還沒有太多的技術參數，現在它的頻率范圍滿足了許多新的解決方案提出的要求。在雷達物位計的研發設計中需要經驗豐富的設計師和高度現代化且有價值的技術，但要求雷達物位計的使用操作和安裝應用應盡可能簡便。對于雷達物位計的使用者來講，了解不同技術的優缺點和雷達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，即脈沖雷達技術和FMCW雷達技術。在脈沖雷達方法中，微波脈沖的運行時間由專門的掃描設備進行檢測；在FMCW雷達技術中則用頻率范圍內調制信號的持續時間來換算。對于雷達物位計的使用者來講，這兩種方法幾乎沒有區別，僅僅是在處理FMCW波雷達信號時需要一個FFT（快速傅里葉變換）。它需要性能更好的微處理器，能源費用更高，但檢測速度更慢。本文針對于不同頻率的雷達液位計的各自的優缺點向各位作介紹，幫助朋友們在本企業的物位計選型時有的放矢，正確地選擇合適的測量儀表。

圖1 6GHz發射頻率的雷達物位計：發射頻率非常寬，從不同的表面范圍反射信號，受內部安裝構件的干擾大。

在雷達物位計研發的初期，頻率范圍的選擇還與合適的電子元器件的選擇有關。因此頻率范圍一般都使用10GHz的頻率。后來，人們主要使用認可的頻率范圍，例如C、K和W頻率帶寬，出現了6GHz、25GHz和75GHz的頻率。每一個頻率都有自己的優點和缺點，因此在雷達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物位計的使用情況。但目前頻率范圍在25GHz的雷達物位計能夠在不同的應用中安全、可靠地運行，這一頻率范圍的雷達物位計市場占有率高達80%左右。

衡量雷達物位計性能的一個重要指標是系統的靈敏度，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用可能性。尤其是對松散物料充填高度進行檢測的雷達物位計，靈敏性非常重要，因為一眨眼的功夫，發射出去的雷達波很快被就反射回來。檢測松散物料的雷達物位計靈敏度高可達100dB，表示雷達物位計能夠檢測的小信號是發射信號的百億分之一。若把這一靈敏度換算到機械性檢測中，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，車上多一根頭發絲與少一根頭發絲的重量差異。

圖2 25GHz發射頻率的雷達物位計：發射頻率較窄，不同范圍中有很好的平均反射值，受內部安裝構件的干擾小

天線系統的選擇

為了能夠在不同的應用中充分利用雷達物位計的優點，雷達物位計的天線應與其使用情況相匹配。一般情況下，雷達物位計的天線按照3種不同的原理來設計，即基于反射技術的雷達天線，例如：喇叭形天線或者拋物面衛星天線；利用塑料表面計算微波的雷達天線，例如：鞭狀天線或者球形天線；通過導電電纜傳導PTFE或者陶瓷基板所接收輻射信號的平面天線。從技術上講，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，從而很快受到機械設計技術的限制。

因為雷達天線系統的大小與所使用的頻率有密切的關系，所以頻率是選擇雷達物位計的一個重要參數，高頻率的雷達物位計更具優勢。例如，雷達物位計的頻率加倍，則只需使用原來1/4大小的天線就能夠得到相同的信號。另外，高頻率的雷達物位計能夠有效地減少由安裝部件、攪拌機或者容器內部結構件產生的干擾反射波。雷達頻率越高，所使用的雷達物位計就越小。

但是，較小的天線對雷達增益是不利的，因為某些應用中需要利用雷達的方向性放大信號。面積較大的天線可以接收更多的能量，產生較大的信號。這一點對那些不易反射雷達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

雷達技術的大優點是流程設備所采用的工藝技術幾乎對這一檢測技術不產生影響；對于不同的應用，雷達物位計都有合適的安裝方式。

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

一般情況下，雷達微波的傳播與被測容器中的氣體介質成分無關，但也有例外，例如：氨和氯乙烯。它們對微波有衰減作用，且頻率越高衰減也越大。這就意味著在實踐中要使用發射頻率較低的雷達物位計，尤其是在進行大范圍檢測時。

圖3 75GHz發射頻率的雷達物位計：發射頻率非常狹窄，僅在較小的范圍內采集反射信號，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，內部安裝構件的干擾較少

特殊工況下的液位檢測

一般情況下，對液體介質的液位高度進行檢測是一件相對容易的事情，因為一般情況下液體介質的表面是平整的，把雷達物位計發射出來的雷達波直接反射回去。在流程工藝領域中，在攪拌機或有蒸汽的容器中填充物料的檢測則是另外一種情況。

因為波動、變化的表面會把一部分雷達信號反射到接收天線接收不到的地方，例如被測介質在攪拌機中上下翻騰時大部分雷達信號都被無規律地反射到容器壁上。在這里增強雷達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物位計發射微波的頻率成比例。由于高頻微波的波長較小，因此滯留、沉積的物質嚴重影響信號接收的質量。實踐證明，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。容器內被測介質表面的泡沫對微波的影響更大，頻率越高泡沫帶來的衰減也就越大。主要原因是因為波長較短和泡沫所帶來的信號損失。

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

松散物料的檢測

由于松散物料所形成的傾斜角，部分雷達信號被松散物料表面發射到側壁上，而且松散物料越細、反射到側壁上的雷達信號就越多。換言之，顆粒粗大的松散物料比顆粒細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物位計的波長或者頻率之比表示兩者相互關聯的衡量尺度。當用頻率為75GHz的雷達物位計對某松散物料進行檢測時，如果松散物料的粒度細3倍則該物位計得到的反射波相當于25GHz頻率物位計的反射波。在實際應用中，對水泥、細面糖或者石英砂進行檢測時，人們感覺不到75GHz頻率雷達物位計與25GHz雷達物位計有什么區別，因為反射信號的強度基本相同。

采用能夠發出特殊增強信號的聚焦天線系統的物位計檢測結構件很強的圓形料倉倉壁、或者被檢測的料倉壁內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，它具有較大的反射波束等優點。當松散物料的粒度較大時，可以反射到許多檢查點上，甚至比強聚焦的信號具有更強的反射。另外，在向料倉充填松散物料時很少有均勻對稱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發射的微波幾乎沒有影響，只有在強粉塵環境中，例如壓縮空氣輸送松散物料時產生的強粉塵環境，所產生的信號衰減對高頻雷達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果有很大影響，高頻雷達物位計發射的微波波長越短，粉塵對信號的衰減就越強。換言之，高頻雷達物位計受到天線粉塵沉積的影響比低頻雷達物位計的要大。當25GHz頻率的雷達物位計接收天線覆蓋著厚厚的沉積污垢時，75GHz頻率的雷達天線就必須利用壓縮空氣來清除沉積在天線上的粉塵。這樣就增加了設備維護保養的費用，從而增加了流程設備使用運行成本。

頻率范圍的選擇

實踐證明，雷達物位計的每一個頻率范圍同時具有優點和缺點。因此在選擇雷達物位計時必須考慮它的使用環境，在編寫合適的軟件算法語言時把豐富的應用經驗容納其中，根據使用條件簡單確定雷達物位計的選擇原則。在許多情況下信號聚焦較小的25GHz雷達物位計可以代替75GHz的高頻物位計。通過簡單的物位計與被測充填介質的匹配，使得檢測儀器能夠根據典型的回波信號進行分析檢測，能夠在不同的被測介質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果，保證了流程設備擁有較長的免維修周期。