雷達物位計量程選擇對料位檢測效果的影響

       在工業生產過程的料位檢測中，尤其在充滿粉塵和擾動的各種固體料倉的料位檢測領域中，雷達物位計依靠其獨特的技術優勢已經成為各類物位測量儀表中的首選。雷達物位計可安裝應用于各種金屬、非金屬容器內，不受溫度和壓力變化的影響，能夠適應極度粉塵、入料噪音、有蒸汽存在等嚴苛工況， 滿足單一或多種復雜干擾條件下的料位測量需求，實現對液體、漿料、顆粒及粉體料的料位進行非接觸式的連續測量，目前已成為物位測量市場上的主流產品。
       想要使雷達物位計在實際應用中取得良好的使用效果，合理選型是其中的關鍵因素。其選型涉及的方面很多，如何選型在各種雷達物位計選型手冊上也有詳細的說明。在眾多選型參數中有一個參數對料位檢測效果起著至關重要的作用，但由于理論性較強，在實踐中對該參數的介紹并不詳盡， 因此造成很多用戶對其代表的重要意義了解不足，往往忽視了該項參數的重要性。接下來就詳細介紹這個重
要的參數——雷達物位計的量程。
1、雷達物位計的量程
       通常所說的雷達物位計量程指的是儀表的測距范圍，一般在產品技術手冊中以測量范圍這一個指標或以盲區指標和量程指標這兩項來注明。其中盲區指的是儀表能檢測到的目標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料面與儀表之間的非常大距離。
       盲區代表的含義是一旦料位進入測量的盲區范圍內，儀表會進入不確定的測量狀態，輸出的是一個隨機的測量值，可能給出完全錯誤的檢測結果，因此在使用中必須確保料位不會進入儀表盲區內。量程代表的是該儀表在理想的標準工況下非常大的可測范圍，而儀表在現場使用中非常大的實際可測距離還需依據具體工況而定，有可能會遠遠低于標稱的量程指標。
       隨著技術的不斷發展和產品的不斷更新，目前市面上非接觸式的雷達物位計產品所應用的原理主要有脈沖式和FM CW （調頻連續波）式兩種，在上述提到的兩項指標上的發展趨勢都是盲區越來越小，量程越來越大，這種發展趨勢在應用于固體料位檢測領域的雷達物位計中更加顯著。
表 1 列出了專門用于固體料位檢測的固體雷達生產廠家的高端產品的性能指標，從表中（數據取自各廠家網站）可以看出采用 FM CW （調頻連續波）原理的雷達物位計測量范圍更大。

2、量程對料位檢測的影響
2.1 盲區指標對料位檢測的影響
       雷達波在空氣介質中以光速進行傳播，在較小的距離內雷達信號從發射到接收經歷的時間極短，盲區越小代表著儀表對時間及距離的分辨能力越高，同時儀表內部也需要更快的響應速度，是儀表綜合技術性能的一個重要體現。對于料位檢測來說，盲區的存在可能對安全生產造成隱患，發生冒料或其他事故，因而無法保證連續生產的穩定性和安全性。
故在雷達物位計選型中盲區越小越好， 盡量選擇零盲區產品。
2.2 量程指標對料位檢測的影響
       量程指標選擇是否適當直接關系到料位的檢測是否可靠，是否能夠全區間地檢測到物料在料倉內的料位變化情況。目前在工業生產過程中，一般料倉的高度在 10-20m ，少數較高的料倉在 50 ～ 70m ，一般客戶在物位計的量程選型時認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際應用后的效果并不理想。例如 30m量程的雷達液位計無法檢測水面有較大波動的 10m 深泵池
液位，70m 量程的雷達無法檢測料倉高度只有 20m 的成品水泥倉的情況，這些情況在實踐應用中經常遇到。一般雷達生產廠家給出的量程指標代表的是該型號儀表在理想工況下能檢測到的非常大距離， 而在實際應用中由于料面波動、料形復雜、粉塵大、物料介電常數低、入料干擾等因素的影響，雷達儀表的實際可測距離可能遠遠低于標稱的量程指標，這一點用戶在選型使用中必須加以重視。

2.3 量程指標反映雷達檢測能力的高低
       量程指標直接表征了雷達物位計檢測能力的高低，反映了雷達物位計檢測動態范圍的大小及檢測微弱有效信號的能力， 是代表雷達物位計檢測儀表技術含量的重要參數。
料位能否被穩定可靠的檢測取決于雷達的有效回波信號強度與背景噪聲強度之比，即信噪比，信噪比越高則料位檢測越可靠。信噪比屬于專業性很強的內部技術指標，不會在雷達物位測量產品選型手冊中給出，但該指標完全可以通過儀表的量程來表現。
       在具體應用中有效回波信號強度取決于雷達的信號發射功率和現場的實際工況這兩方面，發射功率越大、現場工況越理想則有效回波信號強度越強。對于工業測量儀表來說，要求以非常小的發射功率，在不影響人體及環境的前提下進行有效準確的測量，因此雷達物位計的發射功率被嚴格限制， 不可通過加大發射功率的辦法來提高檢測能力。
       一般調頻連續波雷達的發射功率只有 0dBm （1m W ）左右，該功率只是手機通話時非常大功率的幾百分之一。用如此小的功率進行檢測，儀表的可靠性就變得非常重要，否則可能會出現間歇性或連續性的測量失效情況。為了提高雷達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現，背景噪聲越低能夠檢測到的微弱有效回波信號的能力就越強，能夠克服各種
惡劣工況對料位檢測不利影響的能力也就越強。但是通過這種方式來提高雷達檢測能力對產品的技術性能要求極高，代表著雷達產品的技術先進程度，因此各雷達物位計廠家都在該技術的研究上投入了很大的精力。目前進口品牌的產品已經可以達到 100m 量程（西門子 LR460），市場上該類產品非常大的量程可以達到 150m （東方測控 DF-6201）。
       綜上所述，量程指標代表了雷達檢測能力的高低，反映了雷達的信噪比高低，也就是反映了雷達檢測微弱有效回波信號的能力高低。那么不同量程的雷達物位計對檢測微弱回波信號的能力到底有多大差距呢？可以通過軍事雷達領域權威的雷達方程來分析：

式中：P r —雷達接收到的目標反射功率，dBm；
P t —雷達發射功率，dBm；
G—天線增益，dB；
λ—雷達波長，m；
σ—目標的散射截面積，m 2 ；
R—雷達天線到被測目標的距離，m；
       公式（1）反映的是在標準情況下，即被測目標對雷達波均勻全向散射的情況下，回波信號功率和檢測距離（即量程）之間的關系。公式（2）反映的是在非常理想情況下，即被測目標對雷達波無損耗定向全反射的情況下，回波信號功率和量程之間的關系。從上述公式可以看出在其它條件不變時，雷達能接收到的回波信號功率和距離（量程）的平方或四次方成反比，也就是說量程擴大一倍，雷達儀表檢測微弱信號的能力需要提高 4 ～ 16 倍，由此可以看出大量程雷達物位產品的技術含量及檢測能力遠遠高于小量程雷達。
3、如何選擇雷達量程
       為了保證物位檢測的穩定可靠，在雷達物位計選型時量程的選擇必須要留有足夠的余量，在實踐中量程的選擇原則可根據測量對象及應用工況的不同加以區分。測量液面平靜的高介電常數物料的液位，量程稍有余量即可；測量液面波動較大或介電常數較低的物料的液位，量程應預留 1 倍余量或更多。測量介電常數較高、顆粒度均勻、顆粒大小適中、物料流動性好、料面較平整的固體物料的料位，量程應預留1 倍余量；測量一般工況下的固體物料料位，量程應預留 2倍余量；測量粉體物料或低介電常數固體物料如水泥行業的各種料倉料位，因為存在著粉塵大、料形復雜、回波弱等不利因素的嚴重影響，一直是料位檢測領域的世界性難題，在量程的選擇上盡量選取可用的非常大量程產品。這樣可以保障在極其不利的檢測環境下，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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