雷達物位計

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。

基本介紹

• 中文名：雷達物位計
• 外文名：Radar level meter
• 學科：檢測
• 領域：工程技術

用途

雷達物位計採用微波脈衝的測量方法，並可在工業頻率波段範圍內正常，波束能量低，可安裝於各種金屬、非金屬容器或管道內，對液體、漿料及顆粒料的物位進行非接觸式連續測量。適用於粉塵、溫度、壓力變化大，有惰性氣體及蒸汽存在的場合。雷達物位計對人體及環境均無傷害，還具有不受介質比重的影響，不受介電常數變化的影響，不需要現場校調等優點，不論是對工業需要，還是對顧客經濟實惠的考慮，都是不錯的選擇。

種類

雷達物位計已成為物位測量儀表市場上的主流產品，主要分為雷達物位計和導波雷達物位計。

1.雷達物位計

雷達物位計發射功率很低的極短的微波通過天線系統發射並接收。雷達波以光速運行。運行時間可以通過電子部件被轉換成物位信號。一種特殊的時間延伸方法可以確保極短時間內穩定和精確的測量。即使存在虛假反射的時候，最新的微處理技術和軟體也可以準確地分析出物位回波。通過輸入容器尺寸，可以將上空距離值轉換成與物位成正比的信號。儀表可以空倉調試。在固體測量中的套用可以使用K-頻段的高頻感測器。由於信號的聚焦效果非常好，料倉內的安裝物或倉壁的粘附物都不會影響測量。

2.導波雷達物位計

導波雷達物位計的微波脈衝沿著一根纜、棒或包含一根棒的同軸套管運行，接觸到被測介質後，微波脈衝被反射回來，並被電子部件接收，並分析計算其運行時間。微處理器識別物位回波，分析計算後將它轉換成物位信號給出。由於測量原理簡單，可以不帶料調整，從而節省了大量調試費用。測量纜或棒可以截短，使之更加適應現場的套用。對於蒸汽不敏感，即使在煙霧、噪音、蒸汽很強烈的情況下，測量精度也不受到影響。不受介質特性變化的影響，被測介質的密度變化或介電常數的變化不會影響測量精度。粘附：沒有問題，在測量探頭或容器壁上粘附介質不會影響測量結果。容器內安裝物如果採用同軸套管式的測量完全不受容器內安裝物的影響，不需要特殊調試。

可以提供不同形式的探頭用於不同套用：

1.纜式，用於測量液體介質或重量大的固體介質，量程可達60米；

2.棒式，用於測量液體介質或重量輕的固體介質，量程可達6米；

3.同軸套管，用於測量低黏度的介質，不受過程條件的影響，量程可達6米。

原理及技術性能

雷達波是一種特殊形式的電磁波，雷達料位計利用了電磁波的特殊性能來進行料位檢測。電磁波的物理特性與可見光相似，傳播速度相當於光速。其頻率為300MHz-3000GHz。電磁波可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源，遇到障礙物易於被反射，被測介質導電性越好或介電常數越大，回波信號的反射效果越好。雷達波的頻率越高，發射角越小，單位面積上能量（磁通量或場強）越大，波的衰減越小，雷達料位計的測量效果越好。

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。

選型事項

雷達和多數的測量儀表一樣，選型無非是以下三個方面：

1.介質特性方面 有無腐蝕性、粘附性如何、磨損力度如何、介電常數如何 等等，根據這些選擇纜繩的類型和儀表特徵

2.容器、環境特性方面容器尺寸如何、是否有障礙物或者攪拌、安裝要求如何、量程、結構、環境是否需要防爆

3.控制要求方面要什麼信號輸出？是否需要就地顯示？精度有何要求？分辨力？供電要兩線還是4線？參照下圖左側參數就非常清晰選擇了。

雷達選型

防雷擊

隨著工業自動化發展的須要，儀器儀表業飛速發展，但是這些內部套用了大量微電器件的智慧型儀器儀表，卻在大多具有絕緣強度低、耐電涌身手初等題目。因此智慧型儀器儀表的防雷，就顯得十分緊要了，尤其是在雷暴季節，以避免構成龐大散失。

導波雷達液位計儀表防雷，要從單方面下手，包羅內部零碎防雷和內部零碎防雷，一般主要靠參加防雷裝置來完成。具體可顛末以下門徑來發展防雷。

1.防雷先從接地零碎做起。雷達物位計的機殼，非常像控制櫃、獨霸台、電源櫃等，機殼都要用扁鋼毗鄰到共同。儀表任務電源如24V負端和儀表信號地、合計機輸入輸出信號地等相連要構成等電位。本安地、安全柵、阻遏柵、安全器等接地也要思慮儀表信號參考點毗鄰時可否構成等電位。

2.不能忽視智慧型儀器儀表的電源防雷眷注。為智慧型儀器儀表安裝防浪涌眷注零碎大要或許電涌，以確保儀器儀表不會超過耐壓極限。電涌眷注器大要在雷暴天氣感應到雷浪涌時，將過載電流匯入大地。

3.為智慧型儀器儀表配信任號通道電涌器，不單大要保證動態傳遞切確、頑固、靈動，何況大要在雷暴天氣，泄放過壓電涌到大地，確保信號傳輸的安全。

4.定期對智慧型儀器儀表的電源零碎接地、匯流條、接地體、電涌器、電源防雷柵等發展搜查和培修，以及及時轉變。

天線分類

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

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。

頻率選擇

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。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。

測量原理

調頻連續波雷達物位計在測量過程中套用了按照線性變化的高頻信號，雷達物位計的信號從天線發出，在被測量平面反射，回波被天線接收。雷達物位計信號的發出與回波接收的頻率差被用於進一步的信號處理，頻率差對應於測量距離。一個大的頻率差應對於一個較大的測量距離。通過FFT頻率差被轉化為頻譜差，進而換算出測量距離。物位與測量距離的差別取決於空罐的高度。發射能量很低的極短的微波脈衝通過天線系統發射並接收。

即使工況比較複雜的情況下，存在虛假回波，用最新的微處理技術和調試軟體也可以準確的分析出物位的回波。輸入天線接收反射的微波脈衝並將其傳輸給電子線路：

D=C×T/2

其中C為光速

因空罐的距離E已知，則物位L為：

L=E-D

輸出

通過輸入空罐高度E（=零點），滿罐高度F（=滿量程）及一些套用參數來設定，套用參數將

自動使儀表適應測量環境。

對應於4－20mA輸出。

套用介質

雷達物位計適用於對液體、漿料及顆粒料的物位進行非接觸式連續測量，適用於溫度、壓力變化大；有惰性氣體及揮發存在的場合。

採用微波脈衝的測量方法，並可在工業頻率波段範圍內正常工作。波束能量較低，可安裝於各種金屬、非金屬容器或管道內，對人體及環境均無傷害。

分類

雷達物位計按套用可分為兩類，現分述如下：

（1）用於庫存管理或貿易結算的高精度液位計量 主要用於石油成品油及化學用品液體的精度測量，測量精度主要在1MM以內，基本上採用調頻連續波原理。價格昂貴，套用量也有限，故只有少數公司生產，有適用於不同場合的喇叭、拋物面及陣列天線。

（2）用於過程物位監測 由於工業過程種類繁多，儀表必須適應各種介質，以及不同的溫度、壓力範圍。精度約為0.1%FS或者5mm。這幾年，過程級微波物位計發展很快，主要是加速普及。在性能提高的同時，價格也相對適中，適用於更多工況。

固態物料料位，特別是氣體輸送料狀料位（菸灰、成品水泥）一直是物位測量中的難題，但是雷達物位計可以穩定、可靠的測量。

輸入輸出

雷達物位計輸入

天線接收反射的微波脈衝並將其傳輸給電子線路，微處理器對此信號進行處理，識別出微脈衝在物料表面所產生的回波。正確的回波信號識別由智慧型軟體完成，精度可達到毫米級。距離物料表面的距離D與脈衝的時間行程T成正比：

D=C×T/2

其中C為光速

因空罐的距離E已知，則物位L為：

L=E-D

雷達物位計輸出

通過輸入空罐高度E（=零點），滿罐高度F（=滿量程）及一些套用參數來設定，套用參數將自動使儀表適應測量環境。對應於4－20mA輸出。

局限性

1. 影響雷達性能的是介電常數，理論上在真空中雷達衰減極小，當空氣中存在對雷達衰減物質，例如：高介電性的粉塵粉末(石墨，鐵合金等)，水蒸氣很大，測量距離效果要受影響。
2. 被測介質的揮發氣體會在天線上聚集，水蒸汽會在天線上聚結，此時會影響雷達波的發射，嚴重時雷達波不能發出。
3. 被測介質的介電常數不能太小。
4. 儘管溫度和壓力對雷達影響極小，但雷達天線是由材料做成的，雷達可適應溫度的壓力的範圍與使用的材料和密封結構有關。

測量條件

注意事項

• 測量範圍從波束觸及罐低的那一點開始計算，但在特殊情況下，若罐低為凹型或錐形，當物位低於此點時無法進行測量。
• 若介質為低介電常數當其處於低液位時，罐低可見，此時為保證測量精度，建議將零點定在低高度為C 的位置。
• 理論上測量達到天線尖端的位置是可能的，但是考慮到腐蝕及粘附的影響，測量範圍的終值應距離天線的尖端至少100mm。
• 對於過溢保護，可定義一段安全距離附加在盲區上。
• 最小測量範圍與天線有關。
• 隨濃度不同，泡沫既可以吸收微波，又可以將其反射，但在一定的條件下是可以進行測量的。

雷達物位計的安裝說明

安裝說明; 推薦距離（1）牆至安裝短管的外壁： 離罐壁為罐直徑1/6處，最小距離為200mm。; 不能安裝在入料口的上方（4）。; 不能安裝在中心位置（3），如果安裝在中央，會產生多重虛假回波，干擾回波會導致信號丟失。