診斷與改進診筒倉中儲存的液位測量方案

雷達（GWR），超聲波和脈沖雷達是飛行時間（TOF）技術，用于通過測量微波或超聲波信號發送所需的時間來檢測水平，從材料表面反射測量，并返回儀器。
測量用于容納散裝固體的筒倉水平（圖1）可能會帶來挑戰。TOF裝置使用基于超聲系統中材料密度的反射，或基于雷達液位計材料的介電常數（DC）的反射。密度或DC-以及安裝位置，筒倉的高度以及諸如支撐，混合器，灰塵，冷凝等干擾的存在 - 決定了每種應用的較佳選擇。
 

圖1：雷達液位計非常適合測量容納固體顆粒的高筒倉中的水平。
雷達液位計
GWR使用大約1.2 GHz脈沖雷達信號沿著導桿（圖2）或電纜傳播，使其成為“接觸”裝置; 也就是說，桿或電纜接觸固體。當電介質遇到電介質變化時，能量會反射回發射器（空氣的直流電壓為1.0，大部分固體電壓高于1.4）。發射器將時間減去加上返回時間2，然后乘以光速來計算水平。被測材料的DC對測量范圍有顯著影響。
 

圖2：雷達有一根導向桿或電纜，雷達信號向下傳播。
材料的DC越低，反射能量越少，從而減小了測量范圍。當DC很低且干擾很多，或存在大量灰塵時，GWR技術可能是一個很好的選擇。GWR技術與雷達之間的評估比較歸結為效率。
當信號從GWR發射器發射時，它具有類似于足球大小的輪廓; 足球是由桿或繩索引導的。隨著較小的占地面積向下和向后引導，可以提高效率，減少與入侵或灰塵的相互作用。然而，雷達信號以一定角度發出，其中占地面積增加，并且返回的反射不會被引導回發射器。在比較信號傳輸與安裝問題時，GWR更有效。

超聲波：聲音選擇
超聲波傳感器（圖3）使用壓電晶體產生機械脈沖，從傳感器膜發射。由于空氣和介質之間的密度變化，該聲波從過程介質的表面反射。然后在傳感器膜處接收反射的脈沖。反射脈沖（回波）的發送和接收之間的TOF直接對應于傳感器和介質表面之間的距離。
 

圖3：超聲波傳感器向筒倉中的固體表面發送聲波脈沖，并測量反射信號的飛行時間以確定水平。
由于過去由于冷凝引起的問題，一些用戶遠離超聲波傳感器。但是，配備自動自清潔功能的超聲波傳感器可消除因冷凝引起的故障。
通過監測傳感器膜上的信號幅度，通過抑制振幅來檢測灰塵的凝結或累積。該裝置可自動增加壓電晶體的頻率，產生自清潔效果，并確保傳感器膜不受冷凝或積聚造成的阻尼影響。此功能允許使用超聲波而無需考慮冷凝或積聚。
由于傳感器的尺寸相對較小，超聲波傳感器非常適合安裝在狹窄的地方，并且可以選擇將傳感器直接安裝在筒倉的頂部。
超聲波需要較小粒徑大于0.1英寸才能獲得可靠的反射。當需要額外的內部液位開關 - 例如驅動泵控制 - 那么超聲波可能是較低價格點的較佳選擇。
聲波會因環境溫度和濕度而衰減，因此如果筒倉經歷大的溫度變化和極端冷凝，或者如果存在蒸汽，那么超聲波可能不是較佳選擇。雷達不受氣相區溫度或空氣中水分或冷凝的影響，因此在這些類型的應用中它可以很好地工作。

脈沖和FMCW雷達
儀器在IEEE規定的頻段內運行。C波段介于4和8 GHz之間，因此大多數儀器的工作頻率為6GHz; K波段介于18至27 GHz之間，大多數儀器使用26 GHz; 和W波段介于75和110 GHz之間，因此大多數儀器使用26GHz。使用這些頻帶中的每一個 - 以及何時何地使用它們 - 對波長和光束角度非常特定。
頻率越小，波長越長。例如，我們可以通過濃霧聽到霧角，因為它會產生一個長波長的低頻聲音以穿透霧氣。波長較小的較高頻率不能穿透霧。雷達物位測量也是如此。低頻雷達 - 例如波長較長的6 GHz - 比短波長的26 GHz能夠更好地穿透灰塵和蒸汽。

圖4：在飛行時間雷達液位計中，通過測量微波信號傳輸，反射和返回儀器所需的時間來確定電平
確定使用哪個頻率，波長和波束角取決于筒倉中的條件，如下所述。
在FMCW雷達中，發射器發送連續波并不斷調制信號，通常從78到82 GHz。然后，發射機測量從發送信號（在已知頻率）到以不同頻率返回的信號的時間。該時間差與筒倉中的大塊固體水平成正比。由于FMCW不斷調制連續信號，因此在較高頻率下添加濾波和增益設置比在較低頻率下應用更有效，從而產生更穩定的信號，散裝固體精度為±3mm。
早期的FMCW雷達使用昂貴的組件，與其他TOF設備相比，它們消耗更多的功率。因此，FMCW僅用于四線儀器架構。在過去幾年中，組件的價格已經降低并且功耗更低，因此它現在可以以合理的價格在雙線系統中運行。研究和現場測試證明，FMCW較適合W波段或26 GHz。
在脈沖雷達中，發射器發送微波脈沖。當微波能量到達被測材料時，阻抗的變化會導致能量被反射。反射的能量取決于被測材料的電介質。如上所述，時間向下和向后除以2，是光速提供距離的倍數。由于信號的分辨率，脈沖較適合較低的頻率。查看評估軟件中的返回信號，您會注意到26 GHz脈沖單元的返回峰值與26 GHz FMCW中非常尖銳的返回峰值相比更高。

高級診斷改進測量
多回波跟蹤和診斷等高級功能大大改善了雷達液位變送器。
多回波跟蹤識別返回信號的不同簽名，檢測與驗證級別相比的錯誤級別，并忽略錯誤信號。首次調試水平儀器時，操作員會生成靜態地圖。這可以通過空筒倉或筒倉中的產品來完成。然后靜態地圖在后臺運行，多回波跟蹤處理結果信號。映射所有回波信號 - 新舊信號。如果障礙物突出到信號路徑中，它們會產生相應的信號并被忽略。
新診斷使用高級算法自動評估26多個不同問題，發送警報并生成報告。例如，Endress + Hauser的心跳技術監測雷達發射器是否在喇叭上積聚灰塵，并評估返回信號的返回幅度或強度。隨著灰塵累積，返回信號變得越來越少，隨著時間的推移信號丟失。
例如，當返回幅度偏離設定的百分比-10％時，可以在信號丟失之前很久就觸發警報。該警報器可包括一個開關，用于打開空氣吹掃并清潔喇叭前部并積聚灰塵。這消除了信號丟失和不必要的維護訪問。
預測測量的另一個潛在用途可能是發射機終端的電氣連接。24 Vdc單元可以具有18伏特作為典型電源。可以監測電壓是否由于腐蝕導致的劣化或由于水進入而導致的尖峰，并且“需要維護”狀態可以通知人員在完全故障發生之前檢查變送器處的電氣終端。
光束角度和頻率
TOF和FMCW技術之間較好的的顯著差異是用于計算水平的算法。因此，選擇雷達水平儀器取決于光束角度，頻率及其預期應用 - 而不是在兩種類似技術之間進行拾取。
射束角度 - 或雷達信號中的擴散量 - 取決于天線的大小和雷達信號的頻率（圖5）。例如，23度的較大擴展是由6英寸的低頻6 GHz雷達產生的。天線。只有3度的較小擴展是由高頻26 GHz雷達和3英寸產生的。天線。

圖5：光束角度根據雷達液位計信號的頻率和天線尺寸而變化。
光束角度很重要，因為它決定了雷達液位計與筒倉壁的安裝距離。光束不應該到達筒倉壁，因為它會干擾雷達信號，影響準確性和可靠性。例如，當具有大光束角的雷達液位計安裝得太靠近側壁時，這會在整個測量范圍內引起非線性不準確。
窄光束角度使儀器可以安裝在靠近筒倉墻的位置（圖6），并且可以更容易地找到一個位置，在該位置它不會反射筒倉中的障礙物，例如水平開關和交叉支撐。

圖6：理想情況下，雷達液位計應盡可能靠近筒倉壁安裝，考慮到光束角度和安裝它所需的孔尺寸所施加的限制。
天線尺寸很重要，因為它決定了筒倉頂部所需的開口尺寸。將儀器安裝在筒倉壁附近可以較大限度地減少維護技術人員在筒倉頂部行走進行維修的需要，從而減少安全隱患。
較后，在填充和排空期間散裝固體產品的休止角需要調整喇叭以優化返回信號。可調角度過程連接允許正確對準筒倉中干燥產品的角度。
26GHz FMCW儀器的應用包括具有小過程連接的筒倉，因為其較高的頻率提供較小的光束角度并允許使用較小的天線尺寸。一臺26GHz的儀器甚至可以通過全口球閥或擴展噴嘴進行射擊。
26GHz雷達液位計適用于長達410英尺的測量范圍，具有許多障礙物的應用，高大的細長筒倉和帶錐形底部的筒倉。它也適用于小顆粒尺寸（<0.17英寸），因為波長越短，它可以反射的顆粒尺寸越小，而沒有遠離喇叭的大量偏轉。這再次呼吁對上述效率的討論。通過確保反射和返回發射器，發送信號的效率越高，過程測量就越可靠。
可能是用于粉末和散裝固體應用的較廣泛使用的雷達液位計是26 GHz脈沖雷達。這些儀器已用于450,000多種應用，包括測量范圍高達230英尺，極端灰塵，頻繁填充和空操作，需要快速響應。與FMCW相比，26 GHz脈沖雷達具有更少的信號濾波和算法處理，可實現更快的轉換和對過程變化的響應。

總結
超聲波和雷達液位計是較適合用于粉末和散裝固體應用的技術，但在選擇正確的技術和指定功能時必須小心。必須考慮筒倉內的粒度，梁寬和條件，包括障礙物，灰塵和濕氣的存在。與熟悉所有可用測量技術的專家合作可以幫助簡化選擇任務并為每個應用指定正確級別的儀器。