微波物位計

微波物位計

微波物位計俗稱雷達(Radar)物位計,雷達是英文Radio Detection and Raging(無線電檢測與測距)首字母的縮寫詞。微波物位計工作方式類似雷達:向被測目標發射微波,由目標反射的回波返回發射器被接收,與發射波進行比較,確定目標存在並計算出發射器到目標的距離。

分類

雷達物位計按工作方式可以分為非接觸式和接觸式兩種。

非接觸式微波物位計常用喇叭或桿式天線來發射與接收微波,儀表安裝在料倉頂部,不與被測介質接觸,微波在料倉上部空間傳播與返回。安裝簡單、維護量少,並且不受料倉內氣體成分、粉塵、溫度變化等的影響,深受用戶歡迎,可替代勞動強度大的人工投尺或帶重錘的捲尺、維修率高的接觸式儀表(重錘探測式yo-yo)、電容等。因此,非接觸式微波物位計是近年來發展最快的物位測量儀表。

接觸式微波物位計一般採用金屬波導體(桿或鋼纜)來傳導微波,儀表從倉頂安裝,導波桿直達倉底,發射的微波沿波導體外部向下傳播,在到達物料面時被反射,沿波導體返回發射器被接收。

技術方案

目前世界上的微波(雷達)物位計通有脈衝法(PULS)和連續調頻法(FMCW)兩種。

連續調頻(FMCW)技術

連續調頻(FMCW)技術測量物位是將傳播時間轉換成頻差的方式,通過測量頻率來代替直接測量時差,來計算目標距離。發射一個頻率被線性調製的微波連續信號,頻率線性上升(下降),所接收到的回波信號頻率也是線性上升(下降)的,兩者的頻率差將比例於離目標的距離。

頻率被調製的信號通過天線向容器中被測物料面發射,被接收的回波頻率信號和一部分發射頻率信號混合,產生的差頻信號被濾波及放大,然後進行快速傅利葉變換(FFT)分析,FFT分析產生一個頻譜,在此頻譜上處理回波並確認回波。

脈衝波技術

脈衝波測距是由天線向被測物料面發射一個微波脈衝,當接收到被測物料面上反射回來的回波後,測量兩者時間差(即微波脈衝的行程時間),來計算物料面的距離。

微波發射和返回之間的時差很小,對於幾米的行程時間要以納秒來計量。脈衝測距採用規則的周期重複信號,並重複頻率(RPF)高。

主要廠商

現今雷達物位計市場基本還是以進口的品牌產品為主,主要由VEGA、E+H、SIEMENS西門子、KEOHNE、EMERSON等公司,其中SIEMENS 西門子的固體雷達在物位測量領域較多的業績和口碑。

頻率選擇

目前微波物位計使用的微波頻率有三個頻段:C波段(5.8~6.3GHz)、X波段(9~10.5GHz)、K波段(24~26GHz)。製造商根據自己的技術及國家批准的頻率來設計產品。

物位測量中的微波一般是定向發射的,通常用波束角來定量表示微波發射和接收的方向性。波束角和天線類型有關,也和使用的微波頻率(波長)有關。

對於常用的圓錐形喇叭天線來說,微波的頻率越高,波束的聚焦性能越好,即波束角小,在實際使用中這是十分重要的,低頻微波物位計有較寬的波束,如果安裝不得當,將會收到內部結構產生的較多的虛假回波,例如:採用4”喇叭天線的26GHz雷達的典型波束角為8°,而5.8GHz 的典型波束角為17°。並且,微波的頻率越高,其喇叭尺寸也可以做的越小,更易於開孔安裝。目前還沒有頻率高於K波段(24—26GHz)的微波(雷達)物位計。

而X波段雷達由於沒有明顯的套用特點,而在各大物位廠商的雷大物位技術發展中趨於被淘汰。

套用領域

現今物位測量領域困擾用戶的是一些大型固體料倉的物位測量,特別是用於50/100米以內的充滿粉塵和擾動的加料狀態下的料倉。相關技術的儀表例如電容或導波雷達TDR在放料時物位下降時會受到很強的張力負載,可能會損壞儀表或把倉頂拉塌掉。重錘經常有埋錘的問題,需要經常維修,大多數其他機械式儀表也是這樣。而高粉塵工況又可能會超出非接觸式超音波物位測量系統的能力。

高頻的調頻雷達技術尤其適合這種大型固體料倉的物位測量!

現今的高頻雷達一般為工作在K波段(24~26GHz)的雷達物位計,雷達的工作頻率越高其電磁波波長越短,越容易在傾斜的固體表面有更好的反射,並具有較窄的波束寬度,可有效避開障礙物,高的頻率還可使雷達使用更小的天線。而FMCW調頻連續波微波物位計發射和接受信號是同時的,相同時間內發射的微波信號更多,固體測量中可減少高粉塵固體料倉測量中的失波現象。因此固體測量中高頻的調頻雷達能提供準確、可靠的測量,並在例如化工行業中的PP粉末、PE粉末等介質中也有良好套用。但由於技術限制,現今還沒有工作在K波段以上的高頻雷達物位計。

也有使用5.8GHz ~ 10GHz的低頻雷達測量固體,但由於其較低的頻率、較長的波長其發射波不容易被漫反射,在高粉塵工況下會導致很多的二次或多次回波,干擾和噪聲很大,因此固體粉料測量中逐漸被淘汰。

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