80 ГГц радарные устройства измерения уровня
80 ГГц технология, используемая в серии OPTIWAVE, является самой последней и наиболее универсальной технологией радарного измерения уровня жидкостей и сыпучих веществ. По сравнению с низкочастотными радарными датчиками данная технология предлагает при той же дистанции высокосфокусированный луч меньшего диаметра и идеально подходит для использования в запыленных атмосферах или при наличии сред с низкой отражающей способностью. Небольшая зона нечувствительности и острый угол луча антенны обеспечивают возможность использования в небольших и высоких резервуарах.
80 ГГц радарные устройства измерения уровня
80 ГГц технология, используемая в серии OPTIWAVE, является самой последней и наиболее универсальной технологией радарного измерения уровня жидкостей и сыпучих веществ. По сравнению с низкочастотными радарными датчиками данная технология предлагает при той же дистанции высокосфокусированный луч меньшего диаметра и идеально подходит для использования в запыленных атмосферах или при наличии сред с низкой отражающей способностью. Небольшая зона нечувствительности и острый угол луча антенны обеспечивают возможность использования в небольших и высоких резервуарах.
Как 80 ГГц технология может быть настолько универсальной?
Ответ на данный вопрос следует из того, что 80 ГГц технология основана на FMCW технологии, которая в настоящее время является предпочтительной для всех основных производителей контрольно-измерительного оборудования. FMCW — это сокращение от Frequency Modulated Continuous Wave, непрерывное частотно-модулированноое излучение. FMCW радар непрерывно подает радарные сигналы, частота которых модулируется по ширине полосы пропускания, и принимает их отражения. Он измеряет разность частот между переданным и принятым сигналом, которая пропорциональна расстоянию до поверхности, от которой отражался сигнал.
Таким образом, измерение уровня с помощью радарного уровнемера — это в первую очередь бесконтактное измерение расстояния от измерительного прибора (установленного сверху резервуара) до поверхности измеряемой среды. Путем ввода геометрических параметров резервуара и свойств измеряемой среды, таких как плотность, прибор может вычислить уровень, объем или массу. В отличие от ультразвукового прибора, работа радарного уровнемера не зависит от давления и температуры. Кроме того, вязкость и плотность не влияют на измерение.
Независимо от нечувствительности есть некоторые факторы, влияющие на измерение с помощью FMCW технологии. В настоящее время 80 ГГц технология является наиболее передовой технологией, позволяющей преодолеть воздействие таких факторов.
Динамика сигнала и ширина полосы пропускания
Поскольку каждая частота излучения отражается и принимается радаром, в результате получается большой спектр. Однако сигналы не только отражаются от измеряемой среды, они также отражаются от всех имеющихся поверхностей резервуара, например, от внутренних компонентов резервуара. Точная дифференциация всех отраженных сигналов, обнаруженных радаром, возможна только посредством высокой динамики сигнала, также известной как высокая чувствительность измерения: чем больше сигналов, отраженных от цели и полученных прибором, тем четче или выше поднимается данная точка в спектре над другими помехами и, следовательно, может быть идентифицирована.
По мере того как полоса пропускания радара расширяется, увеличивается спектральное разрешение, а отдельные мишени отмечаются более узкими и точными пиками: полоса пропускания, в которой модулируется частота, определяет количество различных сигналов, отраженных от мишени. 24 ГГц радар обычно модулирует частоту 24-26 ГГц и имеет полосу пропускания 2 ГГц, тогда как 80 ГГц радар обычно модулирует частоту 78-82 ГГц и, таким образом, имеет полосу пропускания 4 ГГц. К примеру, с частотой 4 ГГц можно дифференцировать мишени, расстояние между которыми составляет всего 10 см. При 2 ГГц в тех же условиях дифференцировать их невозможно.
Фокусировка и типоразмер антенны
Долгое время ширина полосы пропускания была ограничена производительностью микрочипов. Сегодня она ограничивается работой антенн и их конструкций, которые должны передавать частотный спектр. Радарные сигналы распространяются не точечно, как лазерный сигнал, а скорее в форме лепестка или наклонного луча.
Существует две возможности повлиять на угол раскрытия или фокусировку наклонного луча. Во-первых, это используемая частота: чем выше частота, тем меньше апертурный угол из-за меньшей длины волны. Ширина луча в угловых единицах для диапазона 80 ГГц с полосой пропускания 4 ГГц на расстоянии 10 м составляет всего 30% от ширины луча 24 ГГц с полосой пропускания 2 ГГц (от 0,5 м до 1,75 м). Во-вторых, это диаметр антенны: чем больше диаметр, тем более сфокусирован наклонный луч.
Это находит свое применение в определенных сферах обрабатывающей промышленности: в высоких узких силосах луч радара не должен контактировать со стенкой силоса или внутренними компонентами резервуара, поскольку в обоих случаях данные не подлежат измерению. Следовательно, наклонный луч радара должен быть как сфокусированным, так и максимально узким, что и обеспечивается 80 ГГц радаром с большой антенной.
Коэффициент отражения и частота
Характеристики поверхности измеряемого продукта, помимо угла, также определяют количество отраженных сигналов радара и их прием: чем выше коэффициент отражения или диэлектрическая проницаемость, тем выше амплитуда отраженных сигналов.
В отличие от жидкостей, которые обладают очень хорошей отражающей способностью, сыпучие вещества, как правило, отражают сигналы очень плохо: значение Er ≈1,4 заявлено как самое низкое значение, которое можно надежно и безопасно измерить. Если коэффициент отражения от плоской поверхности жидкости не меняется с частотой, то обратное рассеивание при измерении мелкозернистых сыпучих веществ, таких как гранулы или порошки, с повышением частоты значительно увеличивается.
Следовательно, 80 ГГц радар в данном случае является оптимальным выбором, поскольку благодаря высокой динамике он способен четко отображать линию уровня даже в случае сильного запыления (например, в процессе заполнения силоса или резервного хранилища). Кроме того, лучшее разрешение полосы пропускания 4 ГГц помогает отличить сигналы от помех и измеряемой среды, даже если они находятся в непосредственной близости.
Сводная информация
80 ГГц — это частота с максимальным фокусом, поэтому она подходит для контейнеров всех размеров, что помогает избежать отражений помех. Кроме того, короткая длина волны отражается очень хорошо, что является особым преимуществом для применений с сыпучими материалами, даже с гранулами и порошками с небольшим размером частиц и/или при высоком уровне запыленности. Еще одним преимуществом является конструкция с высокой фокусировкой сигнала, которая не требует дополнительного фокуса со стороны большой антенны: наличие утопленной антенны линзового типа из пластика (PEEK), которая представленна в серии OPTIWAVE, является достаточным и очень популярно в таких сферах применения. Ввиду небольшого размера ее можно использовать с резьбовыми присоединениями, при этом в использовании фланцев больше нет необходимости, что ведет к серьезной экономии. Кроме того, 80 ГГц радарный уровнемер имеет широчайший диапазон измерений с незначительной мертвой зоной, поэтому резервуар может заполняться практически до антенны.