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如何让雷达物位计实现最佳性能?(上)

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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。 

料位计

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。

料位计

 图1:该图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。 图1:该图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。