雷達(dá)物位計(jì)量程選擇對(duì)料位檢測效果的影響

       在工業(yè)生產(chǎn)過程的料位檢測中，尤其在充滿粉塵和擾動(dòng)的各種固體料倉的料位檢測領(lǐng)域中，雷達(dá)物位計(jì)依靠其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)成為各類物位測量儀表中的首選。雷達(dá)物位計(jì)可安裝應(yīng)用于各種金屬、非金屬容器內(nèi)，不受溫度和壓力變化的影響，能夠適應(yīng)極度粉塵、入料噪音、有蒸汽存在等嚴(yán)苛工況， 滿足單一或多種復(fù)雜干擾條件下的料位測量需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體、漿料、顆粒及粉體料的料位進(jìn)行非接觸式的連續(xù)測量，目前已成為物位測量市場上的主流產(chǎn)品。
       想要使雷達(dá)物位計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的使用效果，合理選型是其中的關(guān)鍵因素。其選型涉及的方面很多，如何選型在各種雷達(dá)物位計(jì)選型手冊(cè)上也有詳細(xì)的說明。在眾多選型參數(shù)中有一個(gè)參數(shù)對(duì)料位檢測效果起著至關(guān)重要的作用，但由于理論性較強(qiáng)，在實(shí)踐中對(duì)該參數(shù)的介紹并不詳盡， 因此造成很多用戶對(duì)其代表的重要意義了解不足，往往忽視了該項(xiàng)參數(shù)的重要性。接下來就詳細(xì)介紹這個(gè)重
要的參數(shù)——雷達(dá)物位計(jì)的量程。
1、雷達(dá)物位計(jì)的量程
       通常所說的雷達(dá)物位計(jì)量程指的是儀表的測距范圍，一般在產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)中以測量范圍這一個(gè)指標(biāo)或以盲區(qū)指標(biāo)和量程指標(biāo)這兩項(xiàng)來注明。其中盲區(qū)指的是儀表能檢測到的目標(biāo)料面與儀表之間的非常小距離，量程指的是儀表能檢測到的目標(biāo)料面與儀表之間的非常大距離。
       盲區(qū)代表的含義是一旦料位進(jìn)入測量的盲區(qū)范圍內(nèi)，儀表會(huì)進(jìn)入不確定的測量狀態(tài)，輸出的是一個(gè)隨機(jī)的測量值，可能給出完全錯(cuò)誤的檢測結(jié)果，因此在使用中必須確保料位不會(huì)進(jìn)入儀表盲區(qū)內(nèi)。量程代表的是該儀表在理想的標(biāo)準(zhǔn)工況下非常大的可測范圍，而儀表在現(xiàn)場使用中非常大的實(shí)際可測距離還需依據(jù)具體工況而定，有可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)稱的量程指標(biāo)。
       隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和產(chǎn)品的不斷更新，目前市面上非接觸式的雷達(dá)物位計(jì)產(chǎn)品所應(yīng)用的原理主要有脈沖式和FM CW （調(diào)頻連續(xù)波）式兩種，在上述提到的兩項(xiàng)指標(biāo)上的發(fā)展趨勢都是盲區(qū)越來越小，量程越來越大，這種發(fā)展趨勢在應(yīng)用于固體料位檢測領(lǐng)域的雷達(dá)物位計(jì)中更加顯著。
表 1 列出了專門用于固體料位檢測的固體雷達(dá)生產(chǎn)廠家的高端產(chǎn)品的性能指標(biāo)，從表中（數(shù)據(jù)取自各廠家網(wǎng)站）可以看出采用 FM CW （調(diào)頻連續(xù)波）原理的雷達(dá)物位計(jì)測量范圍更大。

2、量程對(duì)料位檢測的影響
2.1 盲區(qū)指標(biāo)對(duì)料位檢測的影響
       雷達(dá)波在空氣介質(zhì)中以光速進(jìn)行傳播，在較小的距離內(nèi)雷達(dá)信號(hào)從發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間極短，盲區(qū)越小代表著儀表對(duì)時(shí)間及距離的分辨能力越高，同時(shí)儀表內(nèi)部也需要更快的響應(yīng)速度，是儀表綜合技術(shù)性能的一個(gè)重要體現(xiàn)。對(duì)于料位檢測來說，盲區(qū)的存在可能對(duì)安全生產(chǎn)造成隱患，發(fā)生冒料或其他事故，因而無法保證連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性。
故在雷達(dá)物位計(jì)選型中盲區(qū)越小越好， 盡量選擇零盲區(qū)產(chǎn)品。
2.2 量程指標(biāo)對(duì)料位檢測的影響
       量程指標(biāo)選擇是否適當(dāng)直接關(guān)系到料位的檢測是否可靠，是否能夠全區(qū)間地檢測到物料在料倉內(nèi)的料位變化情況。目前在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般料倉的高度在 10-20m ，少數(shù)較高的料倉在 50 ～ 70m ，一般客戶在物位計(jì)的量程選型時(shí)認(rèn)為選擇與料倉高度相同的量程或者稍有余量即可，但這種選型方式在實(shí)際應(yīng)用后的效果并不理想。例如 30m量程的雷達(dá)液位計(jì)無法檢測水面有較大波動(dòng)的 10m 深泵池
液位，70m 量程的雷達(dá)無法檢測料倉高度只有 20m 的成品水泥倉的情況，這些情況在實(shí)踐應(yīng)用中經(jīng)常遇到。一般雷達(dá)生產(chǎn)廠家給出的量程指標(biāo)代表的是該型號(hào)儀表在理想工況下能檢測到的非常大距離， 而在實(shí)際應(yīng)用中由于料面波動(dòng)、料形復(fù)雜、粉塵大、物料介電常數(shù)低、入料干擾等因素的影響，雷達(dá)儀表的實(shí)際可測距離可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)稱的量程指標(biāo)，這一點(diǎn)用戶在選型使用中必須加以重視。

2.3 量程指標(biāo)反映雷達(dá)檢測能力的高低
       量程指標(biāo)直接表征了雷達(dá)物位計(jì)檢測能力的高低，反映了雷達(dá)物位計(jì)檢測動(dòng)態(tài)范圍的大小及檢測微弱有效信號(hào)的能力， 是代表雷達(dá)物位計(jì)檢測儀表技術(shù)含量的重要參數(shù)。
料位能否被穩(wěn)定可靠的檢測取決于雷達(dá)的有效回波信號(hào)強(qiáng)度與背景噪聲強(qiáng)度之比，即信噪比，信噪比越高則料位檢測越可靠。信噪比屬于專業(yè)性很強(qiáng)的內(nèi)部技術(shù)指標(biāo)，不會(huì)在雷達(dá)物位測量產(chǎn)品選型手冊(cè)中給出，但該指標(biāo)完全可以通過儀表的量程來表現(xiàn)。
       在具體應(yīng)用中有效回波信號(hào)強(qiáng)度取決于雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射功率和現(xiàn)場的實(shí)際工況這兩方面，發(fā)射功率越大、現(xiàn)場工況越理想則有效回波信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)。對(duì)于工業(yè)測量儀表來說，要求以非常小的發(fā)射功率，在不影響人體及環(huán)境的前提下進(jìn)行有效準(zhǔn)確的測量，因此雷達(dá)物位計(jì)的發(fā)射功率被嚴(yán)格限制， 不可通過加大發(fā)射功率的辦法來提高檢測能力。
       一般調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射功率只有 0dBm （1m W ）左右，該功率只是手機(jī)通話時(shí)非常大功率的幾百分之一。用如此小的功率進(jìn)行檢測，儀表的可靠性就變得非常重要，否則可能會(huì)出現(xiàn)間歇性或連續(xù)性的測量失效情況。為了提高雷達(dá)物位儀表的檢測能力以保證其測量的可靠性，非常合理的方式是通過降低儀表的背景噪聲來實(shí)現(xiàn)，背景噪聲越低能夠檢測到的微弱有效回波信號(hào)的能力就越強(qiáng)，能夠克服各種
惡劣工況對(duì)料位檢測不利影響的能力也就越強(qiáng)。但是通過這種方式來提高雷達(dá)檢測能力對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能要求極高，代表著雷達(dá)產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)程度，因此各雷達(dá)物位計(jì)廠家都在該技術(shù)的研究上投入了很大的精力。目前進(jìn)口品牌的產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到 100m 量程（西門子 LR460），市場上該類產(chǎn)品非常大的量程可以達(dá)到 150m （東方測控 DF-6201）。
       綜上所述，量程指標(biāo)代表了雷達(dá)檢測能力的高低，反映了雷達(dá)的信噪比高低，也就是反映了雷達(dá)檢測微弱有效回波信號(hào)的能力高低。那么不同量程的雷達(dá)物位計(jì)對(duì)檢測微弱回波信號(hào)的能力到底有多大差距呢？可以通過軍事雷達(dá)領(lǐng)域權(quán)威的雷達(dá)方程來分析：

式中：P r —雷達(dá)接收到的目標(biāo)反射功率，dBm；
P t —雷達(dá)發(fā)射功率，dBm；
G—天線增益，dB；
λ—雷達(dá)波長，m；
σ—目標(biāo)的散射截面積，m 2 ；
R—雷達(dá)天線到被測目標(biāo)的距離，m；
       公式（1）反映的是在標(biāo)準(zhǔn)情況下，即被測目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波均勻全向散射的情況下，回波信號(hào)功率和檢測距離（即量程）之間的關(guān)系。公式（2）反映的是在非常理想情況下，即被測目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波無損耗定向全反射的情況下，回波信號(hào)功率和量程之間的關(guān)系。從上述公式可以看出在其它條件不變時(shí)，雷達(dá)能接收到的回波信號(hào)功率和距離（量程）的平方或四次方成反比，也就是說量程擴(kuò)大一倍，雷達(dá)儀表檢測微弱信號(hào)的能力需要提高 4 ～ 16 倍，由此可以看出大量程雷達(dá)物位產(chǎn)品的技術(shù)含量及檢測能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小量程雷達(dá)。
3、如何選擇雷達(dá)量程
       為了保證物位檢測的穩(wěn)定可靠，在雷達(dá)物位計(jì)選型時(shí)量程的選擇必須要留有足夠的余量，在實(shí)踐中量程的選擇原則可根據(jù)測量對(duì)象及應(yīng)用工況的不同加以區(qū)分。測量液面平靜的高介電常數(shù)物料的液位，量程稍有余量即可；測量液面波動(dòng)較大或介電常數(shù)較低的物料的液位，量程應(yīng)預(yù)留 1 倍余量或更多。測量介電常數(shù)較高、顆粒度均勻、顆粒大小適中、物料流動(dòng)性好、料面較平整的固體物料的料位，量程應(yīng)預(yù)留1 倍余量；測量一般工況下的固體物料料位，量程應(yīng)預(yù)留 2倍余量；測量粉體物料或低介電常數(shù)固體物料如水泥行業(yè)的各種料倉料位，因?yàn)榇嬖谥�粉塵大、料形復(fù)雜、回波弱等不利因素的嚴(yán)重影響，一直是料位檢測領(lǐng)域的世界性難題，在量程的選擇上盡量選取可用的非常大量程產(chǎn)品。這樣可以保障在極其不利的檢測環(huán)境下，微弱的回波也可以保證被有效的檢測，從而保障料位檢測的高可靠性。

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