雷達(dá)的頻率、天線設(shè)計(jì)、智能算法和安裝位置，對(duì)罐體或筒倉(cāng)料位的成功測(cè)量都起著重要的作用。越是復(fù)雜和對(duì)精度要求高的應(yīng)用，頻率和天線的設(shè)計(jì)就越關(guān)鍵。

用于料位測(cè)量時(shí)，自由空間雷達(dá)發(fā)射器通常使用6、26和80GHz頻率。最近，有很多關(guān)于高頻雷達(dá)發(fā)射器的炒作，一些公司聲稱：頻率越高,性能就越好。其實(shí)，這不一定是真的。相反，精度取決于頻率、波束角、天線配置和安裝，但最重要的還是產(chǎn)品本身的介電常數(shù)。

自由空間雷達(dá)發(fā)射器

自由空間雷達(dá)發(fā)射器有兩個(gè)主要的操作原理：飛行時(shí)間（TOF）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）。每個(gè)都以“時(shí)間”作為距離測(cè)量的基礎(chǔ)，但是計(jì)算的方式各不相同。

TOF雷達(dá)使用發(fā)射器發(fā)射的微波脈沖。當(dāng)微波能量到達(dá)被測(cè)對(duì)象時(shí)，由于介電常數(shù)（氣相、液體或固體表面）的變化而導(dǎo)致阻抗發(fā)生變化，微波能量被反射。反射能量取決于被測(cè)材料的介電常數(shù)。高介電材料，比如水會(huì)反射出全部或大部分的能量。低介電材料，如碳?xì)浠衔?，則反射的能量較少。

微波以光速移動(dòng)，雷達(dá)檢測(cè)微波脈沖到達(dá)表面并返回所需要的時(shí)間。所得的時(shí)間除以二，獲得距離測(cè)量表面的距離。發(fā)射器從測(cè)量范圍減去距離測(cè)量，就能得到儲(chǔ)罐內(nèi)或筒倉(cāng)的料位。

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)，同樣將微波能對(duì)準(zhǔn)被測(cè)材料的表面。和TOF雷達(dá)一樣，反射的能量取決于材料的介電常數(shù)。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射連續(xù)的能量流而不是脈沖，頻率是連續(xù)調(diào)制或變化的。所以，對(duì)于一個(gè)80 GHz FMCW雷達(dá)而言，發(fā)射器的頻率可能會(huì)從79GHz開(kāi)始，然后逐步上升到81GHz。

發(fā)射器將從物料表面反射的頻率與發(fā)送出去的頻率進(jìn)行比較。頻率之差等于微波到達(dá)物料表面并返回的時(shí)間。就像TOF雷達(dá)一樣，從測(cè)量范圍中減去距離測(cè)量，就能得到應(yīng)用的料位。

盡管廠家援引各種各樣的原因，想說(shuō)明一種技術(shù)比另外一種技術(shù)更好，但其實(shí)無(wú)論采用哪種技術(shù)都應(yīng)考慮具體的應(yīng)用細(xì)節(jié)。這兩種技術(shù)都使用微波能量以光速傳輸，能量的反射則取決于被測(cè)材料的介電常數(shù)，所以兩種方法都是通過(guò)測(cè)量時(shí)間來(lái)確定距離或者料位。

頻率效應(yīng)

影響測(cè)量信號(hào)準(zhǔn)確性和可用性的因素有很多，包括頻率、天線類型、安裝條件和被測(cè)材料的介電常數(shù)。

發(fā)射器頻率影響精度、波束角度和天線尺寸。與較高頻發(fā)射器相比，低頻發(fā)射器一般不太準(zhǔn)確，因?yàn)檩^低頻率發(fā)射器所產(chǎn)生的信號(hào)分辨率較差。圖1顯示了6 GHz和26 GHz雷達(dá)發(fā)射器之間的包絡(luò)曲線比較。26 GHz雷達(dá)（紅線）產(chǎn)生的脈沖是大約6 GHz脈沖（藍(lán)線）長(zhǎng)度的一半。這提供了反射和更高的準(zhǔn)確性。

6 GHz脈沖比26 GHz脈沖寬得多。發(fā)射器解碼此脈沖并確定料位的位置。藍(lán)色箭頭表明可以在多個(gè)點(diǎn)解碼。發(fā)射器可以將前沿、中心或以下邊緣解碼為料位，從而會(huì)影響精度。由于26GHz發(fā)射器脈沖更尖銳，這就將解碼限制到一個(gè)點(diǎn)，如紅色箭頭所示。結(jié)果是，在過(guò)程應(yīng)用中，6 GHz發(fā)射器的精度通常是6到10毫米，而26 GHz發(fā)射器可以提供2至3毫米的精度。

先進(jìn)的算法可以應(yīng)用到要求小于1毫米的罐體測(cè)量。80 GHz雷達(dá)反射的波峰也相當(dāng)尖銳，這使得準(zhǔn)確測(cè)量料位相對(duì)更容易。使用80 GHz的過(guò)程雷達(dá)，在應(yīng)用中的測(cè)量精度可以達(dá)到1毫米，而使用80GHz的罐體測(cè)量和托管傳輸雷達(dá)的精度要小于0.5毫米。

頻率也會(huì)影響發(fā)射器信號(hào)傳播的波束角。較低頻率的發(fā)射器比更高頻率的發(fā)射器產(chǎn)生更寬的波束角。在某些應(yīng)用中，寬波束角可能比窄波束角更適合。

天線方面的考慮

天線大小和類型也影響波束角。天線頻率越低，天線越小，波束角越寬。增加頻率或增大天線尺寸可減少波束角。

許多人認(rèn)為，最小波束角度是料位測(cè)量的選擇，這是一般規(guī)律。減小波束角可以使微波能量更容易地避開(kāi)容器壁、攪拌器和罐體內(nèi)部的其它障礙物。

為雷達(dá)發(fā)射器配置的波束角，不與容器壁或障礙物交叉，這是最理想的情況。

然而，重要的是需要明白，即使波束與障礙物或墻壁相交，這也并不一定意味著安裝不會(huì)成功。與墻壁相交可能會(huì)導(dǎo)致一些能量損失，但往往是無(wú)關(guān)緊要的。

波束路徑中的障礙物可以被映射出來(lái)，以便從信號(hào)評(píng)估中消除其影響。

人們經(jīng)常認(rèn)為，如果波束角與容器壁相交，那將不適合于在自由空間雷達(dá)中的應(yīng)用。雷達(dá)安裝時(shí)，波束角不與容器墻壁相交是理想情況，但實(shí)際上由于安裝噴嘴和其它因素的干擾，導(dǎo)致幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)念l率、天線尺寸和容器映射，可以確保大多數(shù)應(yīng)用的成功實(shí)施。

測(cè)量范圍

頻率和天線尺寸對(duì)測(cè)量范圍有影響。但被測(cè)材料的介電常數(shù)和測(cè)量的安裝條件，對(duì)測(cè)量范圍影響也很大。

低頻信號(hào)具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，比高頻信號(hào)傳輸?shù)木嚯x更長(zhǎng)。高頻雷達(dá)發(fā)射器可測(cè)量范圍約為100英尺，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序而言，這已經(jīng)足夠了。

天線的尺寸和類型也對(duì)傳輸距離有影響。大天線傳輸?shù)木嚯x比小天線傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，能量聚焦也更強(qiáng)。喇叭型天線、“淚珠”型、“拋物線”、桿、和平面天線，都是用來(lái)滿足不同應(yīng)用需求和測(cè)量范圍的天線樣式。

雷達(dá)發(fā)射器的安裝條件

即使選擇了雷達(dá)，如果安裝不當(dāng)，也會(huì)造成不良后果。在安裝中必須考慮現(xiàn)有的條件。被測(cè)材料的介電常數(shù)、安裝類型、位置和目標(biāo)表面都會(huì)產(chǎn)生影響。

凝結(jié)，通常由雷達(dá)發(fā)射器天線上的水形成，會(huì)引發(fā)問(wèn)題。水的介電常數(shù)高達(dá)80dc。在典型的喇叭形天線中，水滴凝聚在喇叭內(nèi)部，會(huì)引起干擾并影響電磁信號(hào)的發(fā)射。這種干擾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中的“噪聲”并降低能量。如果凝結(jié)的水足夠多，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)鎖定近區(qū)，導(dǎo)致故障。

為了解決冷凝問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種特殊的天線設(shè)計(jì)，來(lái)避免“冷凝”的影響。如果在應(yīng)用條件下必須使用傳統(tǒng)喇叭型天線，可以添加一個(gè)吹掃管線，以防止雷達(dá)凝結(jié)或灰塵堆積。因?yàn)榭諝饨殡姀?qiáng)度很低，它不會(huì)干擾微波信號(hào)。用壓力為60至70 psi的空氣吹掃，如由電磁閥激活的沖擊波，可以保持喇叭的清潔，這是一種常見(jiàn)而行之有效的方法。

一些制造商提供診斷功能來(lái)監(jiān)測(cè)耦合區(qū)。當(dāng)凝結(jié)或積灰達(dá)到一定水平后，可能會(huì)干擾信號(hào)。這些先進(jìn)的診斷功能，可以用來(lái)進(jìn)行維護(hù)，比如在天線故障前對(duì)其進(jìn)行吹掃工作。提供預(yù)防性維護(hù)的能力，減少停機(jī)時(shí)間和應(yīng)急能力維修需求。

必須考慮容器內(nèi)部的障礙物。攪拌器、加熱線圈、套管、和容器內(nèi)的其它組件，都可能會(huì)干擾雷達(dá)傳輸。80 GHz雷達(dá)較窄的波束角，在避免大多數(shù)的障礙物方面，效果明顯；其余無(wú)法避免的部分則需要從信號(hào)評(píng)估中加以消除，以防止發(fā)射器將障礙物視為虛假料位信號(hào)。