雷達(dá)測量技術(shù)在低介電常數(shù)料位測量中的應(yīng)用

王進(jìn)，朱洪平，張偉

（1.寧波萬華聚氨酯股份有限公司，浙江 寧波315812；2.上海恩德斯豪斯自動化設(shè)備有限公司，上海200241）

整套雷達(dá)系統(tǒng)包括帶天線的發(fā)射器、微波傳送通道、微波反射面、帶天線的接收器。在物位測量中，通常發(fā)射和接收天線是相同的。

超聲波頻率大約在40～70kHz，屬于機(jī)械波。而微波頻率在GHz數(shù)量級上，屬于電磁波。超聲波的反射機(jī)理是密度差，而微波的反射機(jī)理是波阻的變化。反射度R是反射能量與發(fā)射能量之間的比值，其負(fù)對數(shù)的10倍稱為反射信號強(qiáng)度，R與介質(zhì)的介電常數(shù)εr的關(guān)系如式（1）所示：

由式（1）可知，εr越高則R越高。表1給出了R與εr的關(guān)系。如果反射面有波動，則反射度將相應(yīng)降低。

表1 εr與R反射信號強(qiáng)度的關(guān)系

微波測量的優(yōu)點是它不需要任何傳送介質(zhì)，在各種介質(zhì)中的傳送速率c可以通過式（2）算出：

式中：c0——真空中的光速，微波在各種氣體介質(zhì)中的c與c0幾乎一樣，而且受壓力或者溫度變化的影響很小。微波在空氣中測量誤差與壓力、溫度的關(guān)系如圖1，圖2所示。

圖1 測量誤差與壓力關(guān)系（20℃空氣）

圖2 測量誤差與溫度關(guān)系（0.1MPa空氣）

1 雷達(dá)測距技術(shù)

雷達(dá)測距是根據(jù)飛行時間TOF（Time of Flight）原理，整個TOF測量過程分5個步驟：發(fā)射微波脈沖；脈沖在被測介質(zhì)表面反射；接收反射回來的脈沖；計算傳感器與反射面之間的距離D＝ct／2；再計算物位L＝E－D。

目前利用微波進(jìn)行物位測量，主要使用兩種技術(shù)：調(diào)頻連續(xù)波FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）方法；脈沖方法，這兩種方法都可以在量程范圍內(nèi)保證mm級的精度要求。

1.1 FMCW方法

該方法使用線性調(diào)頻的射頻（RF）信號，如發(fā)射器發(fā)出的頻率在9.5～10.5GHz周期性地變化。當(dāng)介質(zhì)表面反射回來的信號到達(dá)接收器時，發(fā)射器中的發(fā)射頻率也同時發(fā)生了變化。微波運(yùn)行的時間可以通過計算接收到的信號頻率與當(dāng)前發(fā)射頻率之間的差值來獲得。把發(fā)射頻率與接收頻率進(jìn)行混頻處理后，將形成一個中頻段的信號，該中頻信號頻率正好與被測距離呈正比。

1.2 脈沖方法

該脈沖指的是一組有許多微波組成的“微波包裹”。脈沖持續(xù)時間約為0.8ns，脈沖的重復(fù)頻率為3.6MHz。脈沖的運(yùn)行時間t是相當(dāng)短的，如果要達(dá)到1mm的物位測量分辨率，則需測量時間為6ps，測量如此短的一個時間在技術(shù)上是相當(dāng)困難的。

6GHz的微波以脈沖的形式發(fā)出，發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率為3.6MHz。反射回來的回波脈沖隨后將與一個參考脈沖進(jìn)入頻率混合器進(jìn)行信號處理。該參考脈沖與發(fā)射脈沖形狀相同，但其重復(fù)頻率比3.6MHz小43.7Hz。如圖3所示，頻率混合器把回波脈沖與參考脈沖相乘，經(jīng)過混頻處理后形成中頻脈沖，與發(fā)射脈沖形狀完全相同，其頻率變?yōu)橹蓄l43.7Hz（周期為23ms），即經(jīng)過混合處理器處理后的中頻脈沖把回波脈沖在時間軸上擴(kuò)展了8.238×104倍。只要測出中頻脈沖上發(fā)射脈沖與回波脈沖的時間間隔t1（ms），則t＝t1／82 380，即實現(xiàn)了極短脈沖運(yùn)行時間t的測量。

圖3 混頻處理后的中頻脈沖

2 雷達(dá)儀表

2.1 非接觸式雷達(dá)

對特定工況條件下（壓力、溫度）的液體和揮發(fā)性的（也包括腐蝕性的）介質(zhì)進(jìn)行測量時，非接觸雷達(dá)測量是最合適的測量方法。非接觸雷達(dá)測量原理的進(jìn)一步研發(fā)使得該技術(shù)也可以用于對散裝物料的測量，而且不受散裝物料中灰塵和充填時粉塵的影響。不同非接觸式雷達(dá)產(chǎn)品的主要區(qū)別是天線種類不同，主要有喇叭天線和桿式天線兩種。雷達(dá)儀表的天線主要起到三個作用：阻抗匹配，“光圈”作用，匯聚作用（Focusing）。

2.1.1 阻抗匹配

對于微波反射來說，在每個阻抗變化的地方都會產(chǎn)生部分微波能量的反射。為了發(fā)射出盡可能多的能量，射頻（RF）各個組成部件的阻抗都應(yīng)該互相匹配，包括高頻模塊與高頻模塊電纜的阻抗匹配，天線與微波傳送介質(zhì)的阻抗匹配等。高頻模塊電纜的阻抗為50Ω，真空的阻抗為377Ω（對應(yīng)εr＝1）。喇叭天線也具有一定的阻抗，而且該阻抗與天線尺寸有關(guān)。天線的εr越接近于1，則可以發(fā)射出越多的能量。DN80喇叭天線的εr≈1.17，而DN150喇叭天線的εr≈1.04，與真空更接近，能夠發(fā)射出更多的能量。

2.1.2 “光圈”作用

天線的喇叭越大，則“光圈”越大，天線所能接收到的來自被測介質(zhì)表面的反射信號越強(qiáng)。

2.1.3 匯聚作用

正如光線會在微小圓孔處發(fā)生衍射現(xiàn)象，微波也會在喇叭處發(fā)生衍射現(xiàn)象，而且衍射角度隨著天線尺寸的減小而增大，即對大尺寸天線來說，衍射效果弱，微波匯聚效果則更好，波束角則更窄。

桿式天線的桿子形狀是圓錐形的，其微波的能量分布與DN100的喇叭天線能量分布情況相似。桿式天線的優(yōu)點是其材料為PTFE，適用于強(qiáng)烈化學(xué)腐蝕的場合。

2.2 導(dǎo)波雷達(dá)

導(dǎo)波雷達(dá)是指微波沿著一根導(dǎo)波纜或者導(dǎo)波桿傳送，接觸到被測界面后沿著導(dǎo)波纜或?qū)РU反射回來。利用導(dǎo)波雷達(dá)物位測量儀表既可對散裝物料（纜式探頭）也可對液體（桿式和同軸探頭）進(jìn)行測量。有了可靠的微波導(dǎo)向，即使是湍流液體表面或者有泡沫的液體表面也不會影響測量精度。

導(dǎo)波雷達(dá)的優(yōu)點是其不受被測容器內(nèi)部溫度、壓力、密度變化的影響，而且粉塵、泡沫、湍流液面對其影響也很小。缺點是導(dǎo)波纜上的掛料尤其是不規(guī)則的掛料將削弱微波強(qiáng)度，改變微波傳送速度或者產(chǎn)生虛假的回波信號，這些因素都將導(dǎo)致錯誤的物位信號。因此，如果采用纜式導(dǎo)波雷達(dá)測量粉料物位，要防止料倉受潮，避免粉料受潮后在導(dǎo)波纜上掛料。

3 PIus Master eXact應(yīng)用軟件

E＋H公司的雷達(dá)儀表在數(shù)據(jù)處理方面采用先進(jìn)的Plus Master eXact應(yīng)用軟件。非接觸式雷達(dá)的“首次回波因子”FEF（First Echo Factor）功能，避免了儀表把多次反射回波誤認(rèn)為物位信號；導(dǎo)波雷達(dá)的底部回波EOP（End of Probe）算法使儀表可以在回波信號很弱無法被探測到的情況下，仍然可以通過EOP信號算出物位信號，不失波。

3.1 首次回波因子

非接觸式雷達(dá)應(yīng)用于某些幾何尺寸罐體時，很可能出現(xiàn)多次反射的回波信號，其信噪比大于真實物位的回波?！笆状位夭ㄒ蜃印惫δ鼙苊饬藘x表把多次反射回波誤認(rèn)為物位信號。

“首次回波因子”定義了最大回波向下的一個帶寬（band），算法將搜索在該帶寬范圍內(nèi)的第一個峰值，并認(rèn)定該峰值回波為被測物位反射回來的信號。圖4為一例回波曲線，該曲線上有2個回波且第2個回波要比第1個回波幅值大。由于第1個回波在帶寬以內(nèi)，儀表認(rèn)定其為物位信號；第2個回波是由于多次反射引起的。

“首次回波因子”又分為“動態(tài)首次回波因子”和“靜態(tài)首次回波因子”?！皠討B(tài)首次回波因子”是指“首次回波因子”的大小與最大回波的幅值有關(guān)。最大回波幅值越小，則帶寬越小，首次回波搜索范圍越小，如圖5a）所示；最大回波的幅值越大，則帶寬越大，首次回波搜索范圍越大，如圖5b）所示。動態(tài)回波因子的優(yōu)點是防止回波信號過小時，干擾信號進(jìn)入到帶寬中；同時保證回波信號較大時，能夠找到有效的首次回波。“靜態(tài)首次回波因子”是指帶寬一定，即“首次回波因子”為常數(shù)。

圖4 “首次回波因子”的定義

圖5 “動態(tài)首次回波因子”的工作原理

3.2 EOP算法

對于導(dǎo)波雷達(dá)來說，當(dāng)被測介質(zhì)液位很低時（尤其是低介電常數(shù)的介質(zhì)），回波信號很弱無法被探測到，但采用EOP算法后，儀表仍然可以通過EOP信號計算出物位。

儀表檢測到導(dǎo)波纜末端EOP信號，根據(jù)TOF原理計算出纜長（纜長L＝空氣中微波速度c0t／2）。該纜長與真實纜長之間有一定的差值，用底部回波偏移Lshift表示。

造成差值的原因是微波在空氣中的傳播速度與在液體介質(zhì)中的傳播速度不同，而EOP信號是微波經(jīng)過空氣—被測介質(zhì)—空氣后，反射回天線的。空氣中用微波速度c0計算纜長，將導(dǎo)致所測纜長大于真實纜長，產(chǎn)生差值。

Lshift與（L）的關(guān)系如式（3）所示。

式中：Lslope——底部回波偏移率；ε——被測介質(zhì)的介電常數(shù)。

如果同時檢測到物位信號與EOP信號，則根據(jù)檢測到的Lshift與L計算出Lslope，而且該過程是自動重復(fù)進(jìn)行的。如果失波，則儀表將根據(jù)當(dāng)時檢測到的Lshift和上次計算出來得Lslope，通過式（3）計算出物位。

4 導(dǎo)波雷達(dá)EOP算法的典型應(yīng)用

某不銹鋼材質(zhì)的圓柱形立罐，罐直徑3m，高度約10m，導(dǎo)波雷達(dá)安裝于罐頂，測量介質(zhì)為PVC塑料粒子；在導(dǎo)波雷達(dá)料位計安裝后，加料口離導(dǎo)波雷達(dá)水平距離為40～50mm，加料過程中PVC塑料粒子可能會被吹到纜繩上。

當(dāng)向罐中加入PVC料時，儀表會顯示錯誤的高料位，如98%；當(dāng)停止加料時，儀表會在不同的料位之間跳變。原因是在持續(xù)加料的過程中，PVC塑料粒子會不斷地碰撞纜繩，產(chǎn)生干擾信號，故產(chǎn)生料位跳變到98%的虛假信號，而一般罐一旦投入使用都很難進(jìn)行整改或改造；當(dāng)不加料時，由于PVC塑料粒子的介電常數(shù)很低，DC值在1.6左右，使得微波在PVC塑料粒子上的回波信號很弱，常會引起測量值的跳變。回波信號如圖6所示，從回波曲線可以看出，料位回波信號26mV，遠(yuǎn)低于底部回波信號100mV。

圖6 現(xiàn)場回波信號

由于底部的回波信號很好，超過了100mV，而且會隨著料位的增加按比例的往后遷移，故可以先屏蔽不穩(wěn)定的料位回波信號，再利用EOP反推算法計算料位。

輸入準(zhǔn)確的被測量介質(zhì)的介電常數(shù)和纜繩長度，可以通過提高門檻電壓值來屏蔽不穩(wěn)定的料位回波信號以及進(jìn)料時的干擾信號，回波曲線如圖7所示，即抬高了圖7中的門檻線高度。儀表會根據(jù)偏移距離、介電常數(shù)計算出PVC塑料粒子的料位。

圖7 EOP僅推算法示意

5 結(jié)束語

微波測量技術(shù)解決了很多以前無法解決的應(yīng)用問題，其應(yīng)用場合正在不斷擴(kuò)大。當(dāng)然，微波測量技術(shù)并不是萬能的，例如在測量泡沫很多的介質(zhì)時往往選用差壓變送器。

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