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提示：会员销售的附件,下载积分 = 版块积分 + 销售积分只看楼主倒序阅读使用道具 0楼发表于: 2018-01-09

技术之源 | 如何让雷达物位计实现最佳性能？

摘要雷达的频率、天线设计、智能算法和安装位置，对罐体或筒仓料位的成功测量都起着重要的作用。越是复杂和对精度要求高的应用，获取最佳频率和天线的设计就越关键。

用于料位测量时，自由空间雷达发射器通常使用6、26和80GHz频率。最近，有很多关于高频雷达发射器的炒作，一些公司声称：频率越高,性能就越好。其实，这不一定是真的。相反，精度取决于频率、波束角、天线配置和安装，但最重要的还是产品本身的介电常数。

自由空间雷达发射器

自由空间雷达发射器有两个主要的操作原理：飞行时间（TOF）和调频连续波（FMCW）。每个都以“时间”作为距离测量的基础，但是计算的方式各不相同。

TOF雷达使用发射器发射的微波脉冲。当微波能量到达被测对象时，由于介电常数（气相、液体或固体表面）的变化而导致阻抗发生变化，微波能量被反射。反射能量取决于被测材料的介电常数。高介电材料，比如水会反射出全部或大部分的能量。低介电材料，如碳氢化合物，则反射的能量较少。
微波以光速移动，雷达检测微波脉冲到达表面并返回所需要的时间。所得的时间除以二，获得距离测量表面的距离。发射器从测量范围减去距离测量，就能得到储罐内或筒仓的料位。
调频连续波（FMCW）雷达，同样将微波能对准被测材料的表面。和TOF雷达一样，反射的能量取决于材料的介电常数。调频连续波雷达发射连续的能量流而不是脉冲，频率是连续调制或变化的。所以，对于一个80 GHz FMCW雷达而言，发射器的频率可能会从79GHz开始，然后逐步上升到81GHz。
发射器将从物料表面反射的频率与发送出去的频率进行比较。频率之差等于微波到达物料表面并返回的时间。就像TOF雷达一样，从测量范围中减去距离测量，就能得到应用的料位。
尽管厂家援引各种各样的原因，想说明一种技术比另外一种技术更好，但其实无论采用哪种技术都应考虑具体的应用细节。这两种技术都使用微波能量以光速传输，能量的反射则取决于被测材料的介电常数，所以两种方法都是通过测量时间来确定距离或者料位。频率效应

影响测量信号准确性和可用性的因素有很多，包括频率、天线类型、安装条件和被测材料的介电常数。

比较了同一个应用中，26 GHz的雷达发射器尖锐的峰值以及6 GHz雷达反射器较圆的峰值。

发射器频率影响精度、波束角度和天线尺寸。与较高频发射器相比，低频发射器一般不太准确，因为较低频率发射器所产生的信号分辨率较差。图1显示了6 GHz和26 GHz雷达发射器之间的包络曲线比较。26 GHz雷达（红线）产生的脉冲是大约6 GHz脉冲（蓝线）长度的一半。这提供了更精确的反射和更高的准确性。
6 GHz脉冲比26 GHz脉冲宽得多。发射器解码此脉冲并确定料位的位置。蓝色箭头表明可以在多个点解码。发射器可以将前沿、中心或以下边缘解码为料位，从而会影响精度。由于26GHz发射器脉冲更尖锐，这就将解码限制到一个点，如红色箭头所示。结果是，在过程应用中，6 GHz发射器的精度通常是6到10毫米，而26 GHz发射器可以提供2至3毫米的精度。
先进的算法可以应用到精确度要求小于1毫米的罐体测量。80 GHz雷达反射的波峰也相当尖锐，这使得准确测量料位相对更容易。使用80 GHz的过程雷达，在应用中的测量精度可以达到1毫米，而使用80GHz的罐体测量和托管传输雷达的精度要小于0.5毫米。
频率也会影响发射器信号传播的波束角。较低频率的发射器比更高频率的发射器产生更宽的波束角。在某些应用中，宽波束角可能比窄波束角更适合。天线方面的考虑

天线大小和类型也影响波束角。天线频率越低，天线越小，波束角越宽。增加频率或增大天线尺寸可减少波束角。

许多人认为，最小波束角度是料位测量的最佳选择，这是一般规律。减小波束角可以使微波能量更容易地避开容器壁、搅拌器和罐体内部的其它障碍物。
为雷达发射器配置的波束角，不与容器壁或障碍物交叉，这是最理想的情况。
然而，重要的是需要明白，即使波束与障碍物或墙壁相交，这也并不一定意味着安装不会成功。与墙壁相交可能会导致一些能量损失，但往往是无关紧要的。
波束路径中的障碍物可以被映射出来，以便从信号评估中消除其影响。
人们经常认为，如果波束角与容器壁相交，那将不适合于在自由空间雷达中的应用。雷达安装时，波束角不与容器墙壁相交是理想情况，但实际上由于安装喷嘴和其它因素的干扰，导致几乎无法实现。通过选择适当的频率、天线尺寸和容器映射，可以确保大多数应用的成功实施。测量范围

频率和天线尺寸对测量范围有影响。但被测材料的介电常数和测量的安装条件，对测量范围影响也很大。

低频信号具有较长的波长，比高频信号传输的距离更长。高频雷达发射器可测量范围约为100英尺，对于大多数应用程序而言，这已经足够了。
天线的尺寸和类型也对传输距离有影响。大天线传输的距离比小天线传输的距离更远，能量聚焦也更强。喇叭型天线、“泪珠”型、“抛物线”、杆、和平面天线，都是用来满足不同应用需求和测量范围的天线样式。雷达发射器的安装条件

即使选择了最好的雷达，如果安装不当，也会造成不良后果。在安装中必须考虑现有的条件。被测材料的介电常数、安装类型、位置和目标表面都会产生影响。
凝结，通常由雷达发射器天线上的水形成，会引发问题。水的介电常数高达80dc。在典型的喇叭形天线中，水滴凝聚在喇叭内部，会引起干扰并影响电磁信号的发射。这种干扰会导致信号中的“噪声”并降低能量。如果凝结的水足够多，会导致雷达锁定近区，导致故障。
为了解决冷凝问题，已经开发出几种特殊的天线设计，来避免“冷凝”的影响。如果在应用条件下必须使用传统喇叭型天线，可以添加一个吹扫管线，以防止雷达凝结或灰尘堆积。因为空气介电强度很低，它不会干扰微波信号。用压力为60至70 psi的空气吹扫，如由电磁阀激活的冲击波，可以保持喇叭的清洁，这是一种常见而行之有效的方法。
一些制造商提供诊断功能来监测耦合区。当凝结或积灰达到一定水平后，可能会干扰信号。这些先进的诊断功能，可以用来进行维护，比如在天线故障前对其进行吹扫工作。提供预防性维护的能力，减少停机时间和应急能力维修需求。
必须考虑容器内部的障碍物。搅拌器、加热线圈、套管、和容器内的其它组件，都可能会干扰雷达传输。80 GHz雷达较窄的波束角，在避免大多数的障碍物方面，效果明显；其余无法避免的部分则需要从信号评估中加以消除，以防止发射器将障碍物视为虚假料位信号。

通常，干扰信号会被“排除”掉，因此雷达发射器就会忽略它们。图2显示了排除搅拌器干扰的料位测量信号评估。图2中的红线是返回的微波能量提供的信号。黑线则消除了搅拌器反射的信号，这样发射器就只计算实际的料位信号。对于有效并被视为料位的信号而言，信号水平必定要高于图中所示。
不仅仅是雷达的频率，天线设计、智能算法和安装位置，也对罐体或筒仓料位的成功测量起着重要的作用。越是复杂的和对精度要求高的应用，获取最佳频率和天线的设计就越关键。