診斷與改進(jìn)診筒倉中儲存的液位測量方案

雷達(dá)（GWR），超聲波和脈沖雷達(dá)是飛行時間（TOF）技術(shù)，用于通過測量微波或超聲波信號發(fā)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(zhàn)。TOF裝置使用基于超聲系統(tǒng)中材料密度的反射，或基于雷達(dá)液位計材料的介電常數(shù)（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(yīng)用的較佳選擇。
 

圖1：雷達(dá)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(dá)液位計
GWR使用大約1.2 GHz脈沖雷達(dá)信號沿著導(dǎo)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(dāng)電介質(zhì)遇到電介質(zhì)變化時，能量會反射回發(fā)射器（空氣的直流電壓為1.0，大部分固體電壓高于1.4）。發(fā)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(dá)有一根導(dǎo)向桿或電纜，雷達(dá)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(dāng)DC很低且干擾很多，或存在大量灰塵時，GWR技術(shù)可能是一個很好的選擇。GWR技術(shù)與雷達(dá)之間的評估比較歸結(jié)為效率。
當(dāng)信號從GWR發(fā)射器發(fā)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(dǎo)的。隨著較小的占地面積向下和向后引導(dǎo)，可以提高效率，減少與入侵或灰塵的相互作用。然而，雷達(dá)信號以一定角度發(fā)出，其中占地面積增加，并且返回的反射不會被引導(dǎo)回發(fā)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(chǎn)生機(jī)械脈沖，從傳感器膜發(fā)射。由于空氣和介質(zhì)之間的密度變化，該聲波從過程介質(zhì)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(fā)送和接收之間的TOF直接對應(yīng)于傳感器和介質(zhì)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(fā)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(yuǎn)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(jiān)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(jié)或累積。該裝置可自動增加壓電晶體的頻率，產(chǎn)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(dāng)需要額外的內(nèi)部液位開關(guān) - 例如驅(qū)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(huán)境溫度和濕度而衰減，因此如果筒倉經(jīng)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(dá)不受氣相區(qū)溫度或空氣中水分或冷凝的影響，因此在這些類型的應(yīng)用中它可以很好地工作。

脈沖和FMCW雷達(dá)
儀器在IEEE規(guī)定的頻段內(nèi)運(yùn)行。C波段介于4和8 GHz之間，因此大多數(shù)儀器的工作頻率為6GHz; K波段介于18至27 GHz之間，大多數(shù)儀器使用26 GHz; 和W波段介于75和110 GHz之間，因此大多數(shù)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(chǎn)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(dá)物位測量也是如此。低頻雷達(dá) - 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(dá)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(dá)中，發(fā)射器發(fā)送連續(xù)波并不斷調(diào)制信號，通常從78到82 GHz。然后，發(fā)射機(jī)測量從發(fā)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(diào)制連續(xù)信號，因此在較高頻率下添加濾波和增益設(shè)置比在較低頻率下應(yīng)用更有效，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的信號，散裝固體精度為±3mm。
早期的FMCW雷達(dá)使用昂貴的組件，與其他TOF設(shè)備相比，它們消耗更多的功率。因此，F(xiàn)MCW僅用于四線儀器架構(gòu)。在過去幾年中，組件的價格已經(jīng)降低并且功耗更低，因此它現(xiàn)在可以以合理的價格在雙線系統(tǒng)中運(yùn)行。研究和現(xiàn)場測試證明，F(xiàn)MCW較適合W波段或26 GHz。
在脈沖雷達(dá)中，發(fā)射器發(fā)送微波脈沖。當(dāng)微波能量到達(dá)被測材料時，阻抗的變化會導(dǎo)致能量被反射。反射的能量取決于被測材料的電介質(zhì)。如上所述，時間向下和向后除以2，是光速提供距離的倍數(shù)。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(jìn)測量
多回波跟蹤和診斷等高級功能大大改善了雷達(dá)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(diào)試水平儀器時，操作員會生成靜態(tài)地圖。這可以通過空筒倉或筒倉中的產(chǎn)品來完成。然后靜態(tài)地圖在后臺運(yùn)行，多回波跟蹤處理結(jié)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(chǎn)生相應(yīng)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(fā)送警報并生成報告。例如，Endress + Hauser的心跳技術(shù)監(jiān)測雷達(dá)發(fā)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(qiáng)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(dāng)返回幅度偏離設(shè)定的百分比-10％時，可以在信號丟失之前很久就觸發(fā)警報。該警報器可包括一個開關(guān)，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(hù)訪問。
預(yù)測測量的另一個潛在用途可能是發(fā)射機(jī)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(jiān)測電壓是否由于腐蝕導(dǎo)致的劣化或由于水進(jìn)入而導(dǎo)致的尖峰，并且“需要維護(hù)”狀態(tài)可以通知人員在完全故障發(fā)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(shù)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(dá)水平儀器取決于光束角度，頻率及其預(yù)期應(yīng)用 - 而不是在兩種類似技術(shù)之間進(jìn)行拾取。
射束角度 - 或雷達(dá)信號中的擴(kuò)散量 - 取決于天線的大小和雷達(dá)信號的頻率（圖5）。例如，23度的較大擴(kuò)展是由6英寸的低頻6 GHz雷達(dá)產(chǎn)生的。天線。只有3度的較小擴(kuò)展是由高頻26 GHz雷達(dá)和3英寸產(chǎn)生的。天線。

圖5：光束角度根據(jù)雷達(dá)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(dá)液位計與筒倉壁的安裝距離。光束不應(yīng)該到達(dá)筒倉壁，因為它會干擾雷達(dá)信號，影響準(zhǔn)確性和可靠性。例如，當(dāng)具有大光束角的雷達(dá)液位計安裝得太靠近側(cè)壁時，這會在整個測量范圍內(nèi)引起非線性不準(zhǔn)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(guān)和交叉支撐。

圖6：理想情況下，雷達(dá)液位計應(yīng)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(hù)技術(shù)人員在筒倉頂部行走進(jìn)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(chǎn)品的休止角需要調(diào)整喇叭以優(yōu)化返回信號�？烧{(diào)角度過程連接允許正確對準(zhǔn)筒倉中干燥產(chǎn)品的角度。
26GHz FMCW儀器的應(yīng)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(kuò)展噴嘴進(jìn)行射擊。
26GHz雷達(dá)液位計適用于長達(dá)410英尺的測量范圍，具有許多障礙物的應(yīng)用，高大的細(xì)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(yuǎn)離喇叭的大量偏轉(zhuǎn)。這再次呼吁對上述效率的討論。通過確保反射和返回發(fā)射器，發(fā)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(yīng)用的較廣泛使用的雷達(dá)液位計是26 GHz脈沖雷達(dá)。這些儀器已用于450,000多種應(yīng)用，包括測量范圍高達(dá)230英尺，極端灰塵，頻繁填充和空操作，需要快速響應(yīng)。與FMCW相比，26 GHz脈沖雷達(dá)具有更少的信號濾波和算法處理，可實現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換和對過程變化的響應(yīng)。

總結(jié)
超聲波和雷達(dá)液位計是較適合用于粉末和散裝固體應(yīng)用的技術(shù)，但在選擇正確的技術(shù)和指定功能時必須小心。必須考慮筒倉內(nèi)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(shù)的專家合作可以幫助簡化選擇任務(wù)并為每個應(yīng)用指定正確級別的儀器。