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如何让雷达发射器实现最佳性能?

来源:控制工程网2017.12.27阅读 56455

  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。
  自由空间雷达发射器
  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)雷达控制工程网版权所有,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。


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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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的过程雷达控制工程网版权所有,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。
  天线方面的考虑
  天线大小和类型也影响波束角。天线频率越低,天线越小,波束角越宽。增加频率或增大天线尺寸可减少波束角。
  许多人认为,最小波束角度是料位测量的最佳选择,这是一般规律。减小波束角可以使微波能量更容易地避开容器壁、搅拌器和罐体内部的其它障碍物。
  为雷达发射器配置的波束角,不与容器壁或障碍物交叉,这是最理想的情况。
  然而,重要的是需要明白,即使波束与障碍物或墙壁相交,这也并不一定意味着安装不会成功。与墙壁相交可能会导致一些能量损失,但往往是无关紧要的。
  波束路径中的障碍物可以被映射出来,以便从信号评估中消除其影响。
  人们经常认为,如果波束角与容器壁相交,那将不适合于在自由空间雷达中的应用。雷达安装时,波束角不与容器墙壁相交是理想情况,但实际上由于安装喷嘴和其它因素的干扰,导致几乎无法实现。通过选择适当的频率、天线尺寸和容器映射,可以确保大多数应用的成功实施。
  测量范围
  频率和天线尺寸对测量范围有影响。但被测材料的介电常数和测量的安装条件,对测量范围影响也很大。
  低频信号具有较长的波长,比高频信号传输的距离更长。高频雷达发射器可测量范围约为100英尺,对于大多数应用程序而言,这已经足够了。
  天线的尺寸和类型也对传输距离有影响。大天线传输的距离比小天线传输的距离更远,能量聚焦也更强。喇叭型天线、“泪珠”型、“抛物线”、杆、和平面天线,都是用来满足不同应用需求和测量范围的天线样式。
  雷达发射器的安装条件
  即使选择了最好的雷达控制工程网版权所有,如果安装不当,也会造成不良后果。在安装中必须考虑现有的条件。被测材料的介电常数、安装类型、位置和目标表面都会产生影响。
  凝结,通常由雷达发射器天线上的水形成,会引发问题。水的介电常数高达80dc。在典型的喇叭形天线中,水滴凝聚在喇叭内部,会引起干扰并影响电磁信号的发射。这种干扰会导致信号中的“噪声”并降低能量。如果凝结的水足够多,会导致雷达锁定近区CONTROL ENGINEERING China版权所有,导致故障。
  为了解决冷凝问题,已经开发出几种特殊的天线设计,来避免“冷凝”的影响。如果在应用条件下必须使用传统喇叭型天线,可以添加一个吹扫管线控制工程网版权所有,以防止雷达凝结或灰尘堆积。因为空气介电强度很低,它不会干扰微波信号。用压力为60至70 psi的空气吹扫,如由电磁阀激活的冲击波,可以保持喇叭的清洁,这是一种常见而行之有效的方法。
  一些制造商提供诊断功能来监测耦合区。当凝结或积灰达到一定水平后,可能会干扰信号。这些先进的诊断功能,可以用来进行维护CONTROL ENGINEERING China版权所有,比如在天线故障前对其进行吹扫工作。提供预防性维护的能力,减少停机时间和应急能力维修需求。
  必须考虑容器内部的障碍物。搅拌器、加热线圈、套管、和容器内的其它组件,都可能会干扰雷达传输。80 GHz雷达较窄的波束角,在避免大多数的障碍物方面,效果明显;其余无法避免的部分则需要从信号评估中加以消除,以防止发射器将障碍物视为虚假料位信号。


图2:图中显示了搅拌器信号的包络曲线。


  通常,干扰信号会被“排除”掉,因此雷达发射器就会忽略它们。图2显示了排除搅拌器干扰的料位测量信号评估。图2中的红线是返回的微波能量提供的信号。黑线则消除了搅拌器反射的信号,这样发射器就只计算实际的料位信号。对于有效并被视为料位的信号而言,信号水平必定要高于图中所示。
  不仅仅是雷达的频率,天线设计、智能算法和安装位置,也对罐体或筒仓料位的成功测量起着重要的作用。越是复杂的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。(作者:Gene Henry)

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