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雷达物位计工作原理与选型

时间:2017-01-19 来源:百特工控 浏览:1 字号:

引言

雷达物位计是一种使用微波传播媒介来测量物位的仪表。它一般使用5.8G或26G两个微波频段进行测量,微波是一种高频的电磁波,方向性强,传输过程不受温度、压力影响,在真空中也可以传输,能适应工业恶劣的应用环境。雷达物位计在测量过程中不与物料直接接触,物料噪声信号对它没有影响,可靠性高,而且不容易挂料,维护量较少。因而雷达物位计可适用于不同工况场合,无论是密闭罐,还是开口罐,抑或是固体、液体,还是粉尘性、浆状性的物料,它都可以测量。

1. 工作原理

1.1测距原理

脉冲雷达测距是根据TOF(Time of Flight)原理,物位计发射微波脉冲,微波到达物料表面,微波被物料表面反射,物位计接收反射的微波脉冲。在这期间,物位计同时开启计时,计时的开始是发射时刻,结束是接收时刻,距离就是微波飞行的长度,距离 = (光速×时间)/2 。如下图所示,在仪表上设置“零点”和“满度”参数值,经过仪表计算就能正确得到物料的位置。


1.2 微波反射原理

微波的反射原理是波阻的变化,就象光线反射一样,但反射强度与被测物料的介电常数有关,物料越导电微波反射越多,如金属比玻璃大的多。反射系数Γ是发射能量与反射能量之间的比值,与介电常数εr有关,对于非磁性媒介计算公式如下:


εr1为媒介1的介电常数,空气媒介的值为1,εr2为物料的介电常数,由公式可知,介电常数εr2越高反射系数越大,微波就越不容易穿过物料,大部分被反射回来,物位计将接收到更多的回波,从而保证测量可靠。

1.3 采样方法

脉冲雷达被人质疑的最大原因是微波的速度为光速(299792458米/秒),如果要达到1mm的分辨率,则测量时间约为6ps,在现有的电子和材料技术条件下要得到这么短的间隔时间数据是不可能的,雷达物位计使用了一种特殊的时间扩展技术。

脉冲雷达每次发射一组有许多微波组成的包,包的持续时间为1ns,脉冲的重复频率为3.6MHz,电路上同时产生两个频率,一个3.5MHz用于发射,另一个用于参考,它的重复频率比3.5MHz 小54.6Hz,反射回来的回波脉冲和参考脉冲经过混频器相乘后变成54.6Hz中频信号,该中频信号和回波脉冲形状完全相同,也就是经过混频处理后把回波脉冲在时间轴上扩展了65536倍。只要测量中频信号上的发射脉冲与回波脉冲的时间间隔t(ms),则微波在空间中的传送时间 = t/65536 。

1.4仪表结构

产品分为两种形式:棒式天线和喇叭天线。上方为电子单元,下方为天线,中间为连接法兰或螺纹,电子单元工作温度为-20℃~60℃,天线工作温度为-40℃~170℃,对于有工作温度要求的工况安装时,需要保证上方的电子单元在温度范围内。

2. 产品选型应用

2.1  天线

雷达天线的作用主要是阻抗匹配,辐射电场,它把传输线上传播的导行波变换成自由空间中的电磁波。喇叭天线的直径尺寸会影响辐射强度和波束宽度,喇叭越大,波束宽度则越窄,天线辐射信号和接收被测介质表面的反射信号越强,传输方向性越好,越能躲开安装环境中的障碍物,意即喇叭天线尺寸越大性能越好。棒式天线是一种透镜天线,实测中5.8G棒式雷达和DN100喇叭天线的性能相当,棒式天线的优势在于其抗挂料能力强,材料为PTFE耐腐蚀性极强,价格却相对于喇叭天线便宜。

2.2   5.8G与26G选择

5.8G雷达波长较长,波束宽度较大,方向性差,26G雷达波长较短,波束宽度较小,方向性好,辐射能量集中,回波能量较强,一般情况优先选择26G雷达,特别是大量程固料测量,如煤仓、石灰仓,和为了避开安装支架影响的窄罐测量。

2.3  天线挂料

天线上挂料会降低雷达的性能,最常见的挂料是凝结水,如早上的露水或蒸汽凝聚在天线上的,也有可能是液体或浆料飞溅到天线上的。因为水是高介电常数的物质,会使天线发生阻抗不匹配,降低天线的发射强度;另外一种挂料是有粉尘情况的固体物料,粉尘会沾在天线上,如果再发生挂料的粉尘受潮,则会严重影响天线性能。对于这类情况可选择5.8G的低频率雷达,它的波长(约5cm)较长,对天线上粘附物不太敏感,可穿透厚的粘附物体。天线的形式优先选择棒式天线这种大面积的,喇叭天线需要选上防尘罩附件,避免粘附物进入内部天线。因为它的内部点源发射电极尺寸较小(只有笔尖大小)。

2.4  信号衰减

被测物料表面波动会影响信号的反射,5.8G低频率雷达的发射波束较宽,覆盖液体表面较大,受波动的影响也相应要小,另外液面表面波的波长和微波的波长相同时会引起最严重的衰减,液面波动时往往有小的涟漪,所以在开放场合的液位测量优选棒式低频雷达。

    固料下仓一般都会产生安息角,26G高频雷达的发射波束窄,通过万向节调整发射角度对准倾斜物料的堆放角度,可得到良好的回波信号,而5.8G低频雷达由于波束较大,无法集中测量到有堆放角度的固料上,并且发射波折射也会发生较强的信号衰减,所以固料的物位测量应优先选择26G喇叭天线雷达。

2.5  低介电常数物料

物料的介电常数直接影响反射系数,介电常数小于3(如汽油、石油)会严重影响回波信号强度。对于低频雷达波束较宽,回波信号过于微弱,容易发生丢波故障,高频雷达由于波束较窄,辐射能量集中,可以实现对低介电物料的测量,对于低介电常数物料的罐体优先选择26G高频雷达,只要注意对于较高的储罐(>15m)应相应选择大喇叭大量程的。

2.6  腐蚀气体

大部分腐蚀性介质(如硫酸、硝酸、烧碱、盐酸)的介电常数都比较高。伴有不同程度的挥发气体,通常腐蚀性的挥发气体具有渗透能力,使用一段时间后,会通过密封部位渗透到物位计的电子单元部分,使仪表发生损坏,所以安装维护后需要将壳盖和连接部位旋紧。这种工况可优先考虑棒式PTFE天线低频雷达对付冷凝水,对于开口罐可提高安装位置降低腐蚀影响,对于密闭罐应选择附加的一体耐腐蚀法兰垫片。

2.7  泡沫

搅拌或混和液体经常会产生泡沫,雷达只能穿透干泡沫获得下方的液位,湿泡沫是无法穿透的,非常细小的微湿泡沫,雷达会在泡沫的顶层产生稳定的回波信号。所以,判断泡沫的大小、干湿、相对被测液面的面积比例,对于泡沫环境可靠测量是很重要的,必要情况可采用自动除泡装置定期清理液面上的泡沫。

2.8  高低温对策

天线一般都可以满足现场工况温度要求,但需要注意电子单元的温度范围。对于北方的极冷户外可对电子单元加装加温罩,而对于高温场合应提高安装位置降低电子单元温度,对天线加装吹扫装置降温。

3. 结束语:

雷达物位计是一种高可靠,高稳定的物位仪表,具有结构简单、安装方便、易于维护等优点。其测量过程不受传播媒介的干扰,能适应各种复杂工况条件下长时间稳定工作。随着成功案例越来越多,民用雷达技术的发展和成熟,雷达物位计将会逐步成为物位测量的主流产品。

 

  
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