雷达物位计量程选择对料位检测效果的影响

       在工业生产过程的料位检测中，尤其在充满粉尘和扰动的各种固体料仓的料位检测领域中，雷达物位计依靠其独特的技术优势已经成为各类物位测量仪表中的首选。雷达物位计可安装应用于各种金属、非金属容器内，不受温度和压力变化的影响，能够适应极度粉尘、入料噪音、有蒸汽存在等严苛工况， 满足单一或多种复杂干扰条件下的料位测量需求，实现对液体、浆料、颗粒及粉体料的料位进行非接触式的连续测量，目前已成为物位测量市场上的主流产品。
       想要使雷达物位计在实际应用中取得良好的使用效果，合理选型是其中的关键因素。其选型涉及的方面很多，如何选型在各种雷达物位计选型手册上也有详细的说明。在众多选型参数中有一个参数对料位检测效果起着至关重要的作用，但由于理论性较强，在实践中对该参数的介绍并不详尽， 因此造成很多用户对其代表的重要意义了解不足，往往忽视了该项参数的重要性。接下来就详细介绍这个重
要的参数——雷达物位计的量程。
1、雷达物位计的量程
       通常所说的雷达物位计量程指的是仪表的测距范围，一般在产品技术手册中以测量范围这一个指标或以盲区指标和量程指标这两项来注明。其中盲区指的是仪表能检测到的目标料面与仪表之间的非常小距离，量程指的是仪表能检测到的目标料面与仪表之间的非常大距离。
       盲区代表的含义是一旦料位进入测量的盲区范围内，仪表会进入不确定的测量状态，输出的是一个随机的测量值，可能给出完全错误的检测结果，因此在使用中必须确保料位不会进入仪表盲区内。量程代表的是该仪表在理想的标准工况下非常大的可测范围，而仪表在现场使用中非常大的实际可测距离还需依据具体工况而定，有可能会远远低于标称的量程指标。
       随着技术的不断发展和产品的不断更新，目前市面上非接触式的雷达物位计产品所应用的原理主要有脉冲式和FM CW （调频连续波）式两种，在上述提到的两项指标上的发展趋势都是盲区越来越小，量程越来越大，这种发展趋势在应用于固体料位检测领域的雷达物位计中更加显著。
表 1 列出了专门用于固体料位检测的固体雷达生产厂家的高端产品的性能指标，从表中（数据取自各厂家网站）可以看出采用 FM CW （调频连续波）原理的雷达物位计测量范围更大。

2、量程对料位检测的影响
2.1 盲区指标对料位检测的影响
       雷达波在空气介质中以光速进行传播，在较小的距离内雷达信号从发射到接收经历的时间极短，盲区越小代表着仪表对时间及距离的分辨能力越高，同时仪表内部也需要更快的响应速度，是仪表综合技术性能的一个重要体现。对于料位检测来说，盲区的存在可能对安全生产造成隐患，发生冒料或其他事故，因而无法保证连续生产的稳定性和安全性。
故在雷达物位计选型中盲区越小越好， 尽量选择零盲区产品。
2.2 量程指标对料位检测的影响
       量程指标选择是否适当直接关系到料位的检测是否可靠，是否能够全区间地检测到物料在料仓内的料位变化情况。目前在工业生产过程中，一般料仓的高度在 10-20m ，少数较高的料仓在 50 ～ 70m ，一般客户在物位计的量程选型时认为选择与料仓高度相同的量程或者稍有余量即可，但这种选型方式在实际应用后的效果并不理想。例如 30m量程的雷达液位计无法检测水面有较大波动的 10m 深泵池
液位，70m 量程的雷达无法检测料仓高度只有 20m 的成品水泥仓的情况，这些情况在实践应用中经常遇到。一般雷达生产厂家给出的量程指标代表的是该型号仪表在理想工况下能检测到的非常大距离， 而在实际应用中由于料面波动、料形复杂、粉尘大、物料介电常数低、入料干扰等因素的影响，雷达仪表的实际可测距离可能远远低于标称的量程指标，这一点用户在选型使用中必须加以重视。

2.3 量程指标反映雷达检测能力的高低
       量程指标直接表征了雷达物位计检测能力的高低，反映了雷达物位计检测动态范围的大小及检测微弱有效信号的能力， 是代表雷达物位计检测仪表技术含量的重要参数。
料位能否被稳定可靠的检测取决于雷达的有效回波信号强度与背景噪声强度之比，即信噪比，信噪比越高则料位检测越可靠。信噪比属于专业性很强的内部技术指标，不会在雷达物位测量产品选型手册中给出，但该指标完全可以通过仪表的量程来表现。
       在具体应用中有效回波信号强度取决于雷达的信号发射功率和现场的实际工况这两方面，发射功率越大、现场工况越理想则有效回波信号强度越强。对于工业测量仪表来说，要求以非常小的发射功率，在不影响人体及环境的前提下进行有效准确的测量，因此雷达物位计的发射功率被严格限制， 不可通过加大发射功率的办法来提高检测能力。
       一般调频连续波雷达的发射功率只有 0dBm （1m W ）左右，该功率只是手机通话时非常大功率的几百分之一。用如此小的功率进行检测，仪表的可靠性就变得非常重要，否则可能会出现间歇性或连续性的测量失效情况。为了提高雷达物位仪表的检测能力以保证其测量的可靠性，非常合理的方式是通过降低仪表的背景噪声来实现，背景噪声越低能够检测到的微弱有效回波信号的能力就越强，能够克服各种
恶劣工况对料位检测不利影响的能力也就越强。但是通过这种方式来提高雷达检测能力对产品的技术性能要求极高，代表着雷达产品的技术先进程度，因此各雷达物位计厂家都在该技术的研究上投入了很大的精力。目前进口品牌的产品已经可以达到 100m 量程（西门子 LR460），市场上该类产品非常大的量程可以达到 150m （东方测控 DF-6201）。
       综上所述，量程指标代表了雷达检测能力的高低，反映了雷达的信噪比高低，也就是反映了雷达检测微弱有效回波信号的能力高低。那么不同量程的雷达物位计对检测微弱回波信号的能力到底有多大差距呢？可以通过军事雷达领域权威的雷达方程来分析：

式中：P r —雷达接收到的目标反射功率，dBm；
P t —雷达发射功率，dBm；
G—天线增益，dB；
λ—雷达波长，m；
σ—目标的散射截面积，m 2 ；
R—雷达天线到被测目标的距离，m；
       公式（1）反映的是在标准情况下，即被测目标对雷达波均匀全向散射的情况下，回波信号功率和检测距离（即量程）之间的关系。公式（2）反映的是在非常理想情况下，即被测目标对雷达波无损耗定向全反射的情况下，回波信号功率和量程之间的关系。从上述公式可以看出在其它条件不变时，雷达能接收到的回波信号功率和距离（量程）的平方或四次方成反比，也就是说量程扩大一倍，雷达仪表检测微弱信号的能力需要提高 4 ～ 16 倍，由此可以看出大量程雷达物位产品的技术含量及检测能力远远高于小量程雷达。
3、如何选择雷达量程
       为了保证物位检测的稳定可靠，在雷达物位计选型时量程的选择必须要留有足够的余量，在实践中量程的选择原则可根据测量对象及应用工况的不同加以区分。测量液面平静的高介电常数物料的液位，量程稍有余量即可；测量液面波动较大或介电常数较低的物料的液位，量程应预留 1 倍余量或更多。测量介电常数较高、颗粒度均匀、颗粒大小适中、物料流动性好、料面较平整的固体物料的料位，量程应预留1 倍余量；测量一般工况下的固体物料料位，量程应预留 2倍余量；测量粉体物料或低介电常数固体物料如水泥行业的各种料仓料位，因为存在着粉尘大、料形复杂、回波弱等不利因素的严重影响，一直是料位检测领域的世界性难题，在量程的选择上尽量选取可用的非常大量程产品。这样可以保障在极其不利的检测环境下，微弱的回波也可以保证被有效的检测，从而保障料位检测的高可靠性。

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