脈沖雷達(dá)液位計(jì)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)的區(qū)別
作者：admin 來源：西安賽譜自動化儀表技術(shù)有限公司 2022-11-09 瀏覽量：92
字號：T | T
脈沖雷達(dá)液位計(jì)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)的區(qū)別
自上個世紀(jì)九十年代以來，雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)入市場，由于測量精度高、超群的耐高溫高壓的能力以及采用了非接觸的測量方式使安裝使用簡易方便，其較高的可靠性成為近十年來罐區(qū)液位過程監(jiān)測的首選儀表。
液位儀表是工業(yè)測量中不可缺少的重要儀表。液位儀表的種類繁多，根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場條件的不同，各類液位計(jì)各具優(yōu)勢，形成一個多元化的局面。罐區(qū)儲罐由于其容積較大，要求液位計(jì)的精度較高，過去大多用浮子鋼帶式液位計(jì)，伺服式和靜壓式也有一定應(yīng)用量。浮子鋼帶式液位計(jì)安裝復(fù)雜，可靠性較低，靜壓式液位計(jì)受介質(zhì)密度和溫度影響很大，為消除這些影響，一套完善的靜壓測量系統(tǒng)其價格也很高；伺服式液位計(jì)精度較高，但由于其有機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，不可避免帶來磨損問題，同時價格也偏高。近年來出現(xiàn)的光纖液位計(jì)、磁致伸縮液位、超聲波液位計(jì)以及核輻射液位計(jì)各具其優(yōu)缺點(diǎn)，光纖液位計(jì)可以做到現(xiàn)場無電檢測，安全性好，這是其突出的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是仍然有很多機(jī)械傳動部件，故障率就會增加，安裝也復(fù)雜些。磁致伸縮液位精度較高，但由于其接觸的測量方式和較高的安裝、維護(hù)要求導(dǎo)致市場普及不廣。超聲波物位計(jì)雖精度較雷達(dá)液位計(jì)略低，但其安裝簡單價格適中，在防爆領(lǐng)域，目前超聲波液位儀的量程是一個問題，一般小于8米，遇到高溫罐，問題也會更大。核輻射液位計(jì)因有放射源，應(yīng)用需特別批準(zhǔn)，應(yīng)用范圍受到限制。而雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)入市場后，由于自身的優(yōu)勢迅速成為液位測量中的首選儀表。
本文著重介紹的是西安賽譜自動化儀表技術(shù)有限公司雷達(dá)測控事業(yè)部自行研發(fā)設(shè)計(jì)的調(diào)頻連續(xù)波國產(chǎn)雷達(dá)液位計(jì)。
2． 測量原理
本雷達(dá)液位計(jì)主要由雷達(dá)探測器（一次表）和雷達(dá)顯示儀（二次表）組成。雷達(dá)探測器主要由主體、連接法蘭和天線三部分組成。天線分為喇叭型和直接與波導(dǎo)管連接兩種形式。雷達(dá)顯示儀提供連接上位計(jì)算機(jī)的RS-485接口，可以傳遞液位等參數(shù)及報(bào)警信號，亦可通過上位計(jì)算機(jī)對智能雷達(dá)顯示儀進(jìn)行控制。
雷達(dá)探測器采用的是線性調(diào)頻連續(xù)波測距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制的連續(xù)波,當(dāng)回波被天線接收到時,天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離。FMCW方式測量線路較復(fù)雜,從而測量精確度較高,同時干擾回波也較易去除,一般用于較高端的測量方案。雷達(dá)探測器的主體中包括微波信號源、信號處理部分。工作過程中，微波信號源輸出一個波幅恒定的線性調(diào)頻的微波信號，其產(chǎn)生的頻率輸出如下圖所示：
發(fā)射頻率隨時間線性增加，增加的斜率為k，當(dāng)發(fā)射出去的連續(xù)波遇到液面發(fā)射時，發(fā)射回來的信號頻率如圖1中點(diǎn)劃線所示，它比發(fā)射信號滯后了一定時間τ。
根據(jù)微波傳播原理知道：
τ＝2R/C (1)
式中C是微波在空間中的傳播速度3×108km/s，R是液面距雷達(dá)液位儀的距離。
由于回波信號頻率的滯后，使得反射頻率與發(fā)射信號頻率之間的差頻為：
f=kτ (2)
將以上兩式合并后可以得到：
R=C×f/2k
顯然R與f是成正比的，反射液面離液位儀的距離越遠(yuǎn)所產(chǎn)生的差頻頻率f越大，因此可計(jì)算天線到反射面的距離。
信號處理部分則對回波信號與發(fā)射信號的混合信號進(jìn)行處理，通過測量混合信號頻譜，用快速傅立葉變換（FFT）來計(jì)算混合信號，從中對混合信號頻譜進(jìn)行分析，排除掉干擾信號，然后確定天線到反射界面的距離，從而完成測量。
3． 優(yōu)點(diǎn)特性
本雷達(dá)液位計(jì)采用非接觸式測量方法。非接觸式測量方法是今年來測量物位的主要方法，目前較成熟的非接觸測量技術(shù)有超聲波、核輻射和微波。而在化工、石化等過程工業(yè)領(lǐng)域，由于被測介質(zhì)普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發(fā)、冷凝等復(fù)雜工況，且對測量儀表有防爆要求。相比與超聲波，微波傳播的自身特點(diǎn)決定了雷達(dá)液位計(jì)的使用優(yōu)勢：
1） 定向傳播。
2） 準(zhǔn)光學(xué)特性。
3） 傳輸特性好。
4） 介質(zhì)對微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。
由其自身特性決定，連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá)液位計(jì)在使用上具有以下優(yōu)勢：
1） 連續(xù)準(zhǔn)確測量：由于雷達(dá)液位計(jì)不與被測介質(zhì)接觸，且受溫度、壓力、氣體等影響非常小。
2） 維護(hù)方便，操作簡單：雷達(dá)液位計(jì)具有故障報(bào)警及自診斷功能。
3） 適用范圍廣：非接觸式測量，方向性好，傳輸損耗小，可測介質(zhì)多。
4） 安裝簡單：在各行業(yè)應(yīng)用中，雷達(dá)液位計(jì)可直接安裝到儲罐頂部，安裝十分簡單。
4. 市場分析
1）橫向比較
雷達(dá)液位計(jì)通常分為脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW）兩種。脈沖雷達(dá)的工作模式與超聲物位計(jì)相似:天線周期地發(fā)射微波脈沖,并接收物料面回波,同時對回波信號進(jìn)行分析處理,確認(rèn)有效回波,據(jù)之計(jì)算物位。正是由于工作原理的不同，導(dǎo)致兩者測量方式測量的最終精度也有所不同，脈沖雷達(dá)的測量精度相對要差一些。而調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FWCW)液位計(jì)測量精度則很高。所以未來調(diào)頻波雷達(dá)液位計(jì)將會逐漸取代脈沖雷達(dá)。
液位儀表是工業(yè)測量中不可缺少的重要儀表。液位儀表的種類繁多，根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場條件的不同，各類液位計(jì)各具優(yōu)勢，形成一個多元化的局面。罐區(qū)儲罐由于其容積較大，要求液位計(jì)的精度較高，過去大多用浮子鋼帶式液位計(jì)，伺服式和靜壓式也有一定應(yīng)用量。浮子鋼帶式液位計(jì)安裝復(fù)雜，可靠性較低，靜壓式液位計(jì)受介質(zhì)密度和溫度影響很大，為消除這些影響，一套完善的靜壓測量系統(tǒng)其價格也很高；伺服式液位計(jì)精度較高，但由于其有機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，不可避免帶來磨損問題，同時價格也偏高。近年來出現(xiàn)的光纖液位計(jì)、磁致伸縮液位、超聲波液位計(jì)以及核輻射液位計(jì)各具其優(yōu)缺點(diǎn)，光纖液位計(jì)可以做到現(xiàn)場無電檢測，安全性好，這是其突出的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是仍然有很多機(jī)械傳動部件，故障率就會增加，安裝也復(fù)雜些。磁致伸縮液位精度較高，但由于其接觸的測量方式和較高的安裝、維護(hù)要求導(dǎo)致市場普及不廣。超聲波物位計(jì)雖精度較雷達(dá)液位計(jì)略低，但其安裝簡單價格適中，在防爆領(lǐng)域，目前超聲波液位儀的量程是一個問題，一般小于8米，遇到高溫罐，問題也會更大。核輻射液位計(jì)因有放射源，應(yīng)用需特別批準(zhǔn)，應(yīng)用范圍受到限制。而雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)入市場后，由于自身的優(yōu)勢迅速成為液位測量中的首選儀表。
本文著重介紹的是西安賽譜自動化儀表技術(shù)有限公司雷達(dá)測控事業(yè)部自行研發(fā)設(shè)計(jì)的調(diào)頻連續(xù)波國產(chǎn)雷達(dá)液位計(jì)。
2． 測量原理
本雷達(dá)液位計(jì)主要由雷達(dá)探測器（一次表）和雷達(dá)顯示儀（二次表）組成。雷達(dá)探測器主要由主體、連接法蘭和天線三部分組成。天線分為喇叭型和直接與波導(dǎo)管連接兩種形式。雷達(dá)顯示儀提供連接上位計(jì)算機(jī)的RS-485接口，可以傳遞液位等參數(shù)及報(bào)警信號，亦可通過上位計(jì)算機(jī)對智能雷達(dá)顯示儀進(jìn)行控制。
雷達(dá)探測器采用的是線性調(diào)頻連續(xù)波測距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制的連續(xù)波,當(dāng)回波被天線接收到時,天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離。FMCW方式測量線路較復(fù)雜,從而測量精確度較高,同時干擾回波也較易去除,一般用于較高端的測量方案。雷達(dá)探測器的主體中包括微波信號源、信號處理部分。工作過程中，微波信號源輸出一個波幅恒定的線性調(diào)頻的微波信號，其產(chǎn)生的頻率輸出如下圖所示：
發(fā)射頻率隨時間線性增加，增加的斜率為k，當(dāng)發(fā)射出去的連續(xù)波遇到液面發(fā)射時，發(fā)射回來的信號頻率如圖1中點(diǎn)劃線所示，它比發(fā)射信號滯后了一定時間τ。
根據(jù)微波傳播原理知道：
τ＝2R/C (1)
式中C是微波在空間中的傳播速度3×108km/s，R是液面距雷達(dá)液位儀的距離。
由于回波信號頻率的滯后，使得反射頻率與發(fā)射信號頻率之間的差頻為：
f=kτ (2)
將以上兩式合并后可以得到：
R=C×f/2k
顯然R與f是成正比的，反射液面離液位儀的距離越遠(yuǎn)所產(chǎn)生的差頻頻率f越大，因此可計(jì)算天線到反射面的距離。
信號處理部分則對回波信號與發(fā)射信號的混合信號進(jìn)行處理，通過測量混合信號頻譜，用快速傅立葉變換（FFT）來計(jì)算混合信號，從中對混合信號頻譜進(jìn)行分析，排除掉干擾信號，然后確定天線到反射界面的距離，從而完成測量。
3． 優(yōu)點(diǎn)特性
本雷達(dá)液位計(jì)采用非接觸式測量方法。非接觸式測量方法是今年來測量物位的主要方法，目前較成熟的非接觸測量技術(shù)有超聲波、核輻射和微波。而在化工、石化等過程工業(yè)領(lǐng)域，由于被測介質(zhì)普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發(fā)、冷凝等復(fù)雜工況，且對測量儀表有防爆要求。相比與超聲波，微波傳播的自身特點(diǎn)決定了雷達(dá)液位計(jì)的使用優(yōu)勢：
1） 定向傳播。
2） 準(zhǔn)光學(xué)特性。
3） 傳輸特性好。
4） 介質(zhì)對微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。
由其自身特性決定，連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá)液位計(jì)在使用上具有以下優(yōu)勢：
1） 連續(xù)準(zhǔn)確測量：由于雷達(dá)液位計(jì)不與被測介質(zhì)接觸，且受溫度、壓力、氣體等影響非常小。
2） 維護(hù)方便，操作簡單：雷達(dá)液位計(jì)具有故障報(bào)警及自診斷功能。
3） 適用范圍廣：非接觸式測量，方向性好，傳輸損耗小，可測介質(zhì)多。
4） 安裝簡單：在各行業(yè)應(yīng)用中，雷達(dá)液位計(jì)可直接安裝到儲罐頂部，安裝十分簡單。
4. 市場分析
1）橫向比較
雷達(dá)液位計(jì)通常分為脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW）兩種。脈沖雷達(dá)的工作模式與超聲物位計(jì)相似:天線周期地發(fā)射微波脈沖,并接收物料面回波,同時對回波信號進(jìn)行分析處理,確認(rèn)有效回波,據(jù)之計(jì)算物位。正是由于工作原理的不同，導(dǎo)致兩者測量方式測量的最終精度也有所不同，脈沖雷達(dá)的測量精度相對要差一些。而調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FWCW)液位計(jì)測量精度則很高。所以未來調(diào)頻波雷達(dá)液位計(jì)將會逐漸取代脈沖雷達(dá)。
