微波物位计俗称雷达(Radar)物位计,雷达是英文Radio Detection and Raging(无线电检测与测距)首字母的缩写词。微波物位计工作方式类似雷达:向被测目标发射微波,由目标反射的回波返回发射器被接收,与发射波进行比较,确定目标存在并计算出发射器到目标的距离。
分类
雷达物位计按工作方式可以分为非接触式和接触式两种。
非接触式微波物位计常用喇叭或杆式天线来发射与接收微波,仪表安装在料仓顶部,不与被测介质接触,微波在料仓上部空间传播与返回。安装简单、维护量少,并且不受料仓内气体成分、粉尘、温度变化等的影响,深受用户欢迎,可替代劳动强度大的人工投尺或带重锤的卷尺、维修率高的接触式仪表(重锤探测式yo-yo)、电容等。因此,非接触式微波物位计是近年来发展最快的
物位测量仪表。
接触式微波物位计一般采用金属波导体(杆或钢缆)来传导微波,仪表从仓顶安装,导波杆直达仓底,发射的微波沿波导体外部向下传播,在到达物料面时被反射,沿波导体返回发射器被接收。
技术方案
目前世界上的微波(雷达)物位计通有脉冲法(PULS)和连续调频法(FMCW)两种。
连续调频(FMCW)技术
连续调频(FMCW)技术测量物位是将传播时间转换成频差的方式,通过测量频率来代替直接测量时差,来计算目标距离。发射一个频率被线性调制的微波连续信号,频率线性上升(下降),所接收到的回波信号频率也是线性上升(下降)的,两者的频率差将比例于离目标的距离。
频率被调制的信号通过天线向容器中被测物料面发射,被接收的回波频率信号和一部分发射频率信号混合,产生的差频信号被滤波及放大,然后进行快速傅利叶变换(FFT)分析,FFT分析产生一个频谱,在此频谱上处理回波并确认回波。
脉冲波技术
脉冲波测距是由天线向被测物料面发射一个微波脉冲,当接收到被测物料面上反射回来的回波后,测量两者时间差(即微波脉冲的行程时间),来计算物料面的距离。
微波发射和返回之间的时差很小,对于几米的行程时间要以纳秒来计量。脉冲测距采用规则的周期重复信号,并重复频率(RPF)高。
主要厂商
现今
雷达物位计市场基本还是以进口的品牌产品为主,主要由VEGA、E+H、SIEMENS西门子、KEOHNE、EMERSON等公司,其中SIEMENS 西门子的固体雷达在物位测量领域较多的业绩和口碑。
频率选择
目前微波物位计使用的微波频率有三个频段:C波段(5.8~6.3GHz)、X波段(9~10.5GHz)、K波段(24~26GHz)。制造商根据自己的技术及国家批准的频率来设计产品。
物位测量中的微波一般是定向发射的,通常用波束角来定量表示微波发射和接收的方向性。波束角和天线类型有关,也和使用的微波频率(波长)有关。
对于常用的圆锥形喇叭天线来说,微波的频率越高,波束的聚焦性能越好,即波束角小,在实际使用中这是十分重要的,低频微波物位计有较宽的波束,如果安装不得当,将会收到内部结构产生的较多的虚假回波,例如:采用4”喇叭天线的26GHz雷达的典型波束角为8°,而5.8GHz 的典型波束角为17°。并且,微波的频率越高,其喇叭尺寸也可以做的越小,更易于开孔安装。目前还没有频率高于K波段(24—26GHz)的微波(雷达)物位计。
而
X波段雷达由于没有明显的应用特点,而在各大物位厂商的雷大物位技术发展中趋于被淘汰。
应用领域
现今物位测量领域困扰用户的是一些大型固体料仓的物位测量,特别是用于50/100米以内的充满粉尘和扰动的加料状态下的料仓。相关技术的仪表例如电容或导波雷达TDR在放料时物位下降时会受到很强的张力负载,可能会损坏仪表或把仓顶拉塌掉。重锤经常有埋锤的问题,需要经常维修,大多数其他机械式仪表也是这样。而高粉尘工况又可能会超出非接触式超声波物位测量系统的能力。
高频的调频雷达技术尤其适合这种大型固体料仓的物位测量!
现今的高频雷达一般为工作在K波段(24~26GHz)的雷达物位计,雷达的工作频率越高其电磁波波长越短,越容易在倾斜的固体表面有更好的反射,并具有较窄的波束宽度,可有效避开障碍物,高的频率还可使雷达使用更小的天线。而FMCW调频连续波微波物位计发射和接受信号是同时的,相同时间内发射的微波信号更多,固体测量中可减少高粉尘固体料仓测量中的失波现象。因此固体测量中高频的调频雷达能提供准确、可靠的测量,并在例如化工行业中的PP粉末、PE粉末等介质中也有良好应用。但由于技术限制,现今还没有工作在K波段以上的
高频雷达物位计。
也有使用5.8GHz ~ 10GHz的低频雷达测量固体,但由于其较低的频率、较长的波长其发射波不容易被漫反射,在高粉尘工况下会导致很多的二次或多次回波,干扰和噪声很大,因此固体粉料测量中逐渐被淘汰。