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不同频率雷达物位仪的选型与应用

113GHz --- 为您所用

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2017年雷达物位测量技术研讨会

主要内容

• 雷达物位测量基础理论

• 1GHz 导波雷达优势应用及选型

• 6GHz 低频雷达优势应用及选型

• 26GHz 高频雷达优势应用及选型

• 80GHz 超高频雷达优势应用及选型

• 总结

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2017年雷达物位测量技术研讨会

雷达物位测量基础原理

• 雷达Radar 是无线电检测与测距Radio Detection and Ranging的简称

• 无线电是指自由空间传播的电磁波

• 1888年德国人赫兹用实验证明了电磁波的存在，而一战的发生推动了

雷达定位/测距技术的飞速发展。

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2017年雷达物位测量技术研讨会

雷达物位测量基础原理

• 通过天线发射电磁波，电磁波在被测物体表面被反

射并被同一天线接收，通过计算电磁波信号从发射

到被接受之间的行程时间 t，可以计算出天线到被

测物体的距离d。

• 雷达物位测量原理也被称为行程时间(TOF)原理，

ToF是Time of Flight的缩写。对于导波雷达而言，

是基于电磁波沿着导波杆传播的行程时间测量原理。

• 物位L则是通过总高E减去距离d得出，所以雷达物

位仪在使用前都要输入总高E

介质

2

tvd

L

E

2

tvEL

dEL

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• 电磁波传播&反射特性

• 电磁波在真空中传播的速度等于光速

• 电磁波在不同介质中的传播速度不同，受介质介电常数影响

• 电磁波的速度=波长*频率（频率越高，则波长越小）

• 频率越高，电磁波能量越高，波长越短，散射现象越明显；反之能量越低，

波长越长，能量不容易被气相层吸收。

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雷达物位测量与电磁波频率的关系

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雷达工作原理——电磁波

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雷达 物位仪

Microwave frequency bands

Letter Designation Frequency range

L band 1 to 2 GHz

S band 2 to 4 GHz

C band 4 to 8 GHz

X band 8 to 12 GHz

Ku band 12 to 18 GHz

K band 18 to 26.5 GHz

Ka band 26.5 to 40 GHz

Q band 33 to 50 GHz

U band 40 to 60 GHz

V band 50 to 75 GHz

E band 60 to 90 GHz

W band 75 to 110 GHz

F band 90 to 140 GHz

D band 110 to 170 GHz

上表中蓝色标记波段为已经应用到雷达物位仪的波段

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不同频率的雷达物位仪

L-band C-band K-band W-band

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这些物位检测难题您是否碰到过？

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冷凝/黏附/结晶

搅拌

含乳化层界面

强挥发

腐蚀

高温高压。。。

低介电常数

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高温高压的工况如何选择？

• 电厂高压加热器水位测量

• 介质：水/蒸汽

• 温度：350℃

• 压力：8MPa

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1GHz导波雷达 最高耐温：450 ℃ 最高耐压：400 bar

FMP54

• 旁通管应用 • 有效穿透蒸汽层 • 耐高温高压 • 克服气相层对电磁

波传播速度的影响

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如何承受如此高的过程温度和 压力？

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用Al2O3和Kalrez

密封圈保护气密馈通

第二道防护

玻璃气密馈通

第一道防护

陶瓷及石墨密封

探头

全焊接结构

用氦测气密性的孔

螺丝与焊接密封 陶瓷填充

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如何克服气相层对电磁波传播速度的影响？ • 电磁波在高压的蒸汽或其他极性气体中传播的速度会降低。

• 极性分子介质 (水, 氨) 气相层的介电常数在高温高压条件下会发生改变。

• 如果不进行补偿，那么产品测量出来的液位就会比实际液位低。

gas-phase

liquid

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分子式 描述 举例

极性分

子

AB 线性分子 CO

HAx 末端带带氢原子的分子 HCl

AxOH 末端带带氢氧根的分子 C2H5OH

OxAy 末端带氧原子的分子 H2O

NxAy 末端带氮原子的分子 NH3

非极性

分子

Ax 单元素气体分子 O2

CxAy 大多数碳化合物 CO2

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高温高压下的测量误差

怎么办？

测量范围1m 温度：300度 压力：100bar 相对误差近20%，绝对误差=1000mm×20%=200mm

怎么办？

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E+H 发明的GPC动态气相补偿技术应运而生!

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GPC动态气相补偿是如何实现的？

• 在测量范围内生成一个参考信号:

特殊延伸杆 (参考段) 直径稍大于导杆（缆）

参考段长度 Dref=300/550mm

• 参考信号和液位信号一样会随着气相层的影响而偏

移，偏移量能够被计算出来，并用来修正真实液位

回波的距离

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GPC气相动态补偿（专利号：US20090302867）

参考段长度

实际物位距离 L

气相层 被测液体

受压下的回波曲线

常压下的回波曲线

Lref

参考段回波距离 Lref’

Lref

Lref’

L =

L’

测量的回波距离L’

Lref

Lref’

L= • L’

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为什么通过输入温度和压力值来补偿效果不佳？

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前提条件…

参考反射

…使用同轴探头 ... 安装于旁通管或导波管中

参考信号被可靠地评估，仅当…

… dREF + 150mm 安全距离 被保证

>1

50

mm

(6

inch

)

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界面测量工况如何选择？

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清晰的界面

总液位信号

界面信号

1GHz导波雷达

传统导波雷达表现如何？

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1GHz导波雷达

当乳化层出现时 会发生什么？ 界面信号变得非常微弱! 很容易发生失波现象 该如何解决这一问题？

乳化层 界面信号

总液位信号

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硫磺回收装置富液缓冲罐 工况信息：

• 常温常压

• 上层介质：污油

• 下层介质：甲基二乙醇胺溶液

• 罐高：7m

• 安装位置：罐顶

• 原使用产品：某传统导波雷达

使用问题：

• 现场无规律波动

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蓝线：总液位

红线：界面

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FMP55现场测量效果，完美解决客户问题

• 红色代表界面，蓝色代表液位

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FMP55是如何实现对乳化层界面测量的？

革命性仪表——FMP55融合传感器（SensorFusion）

融合了导波雷达和电容物位计两种传感器，即使有乳化层也可测量分界面

FMP55有什么优势呢？

• 即使一个回波丢失（由于乳化层），仪表仍可以

分别测出液面和分界面高度(此时仪表自动切换到

电容模式)

• 可自动计算上层介质的介电常数值（即时上层介

质介电常数变化也能准确测量）

• 可同时测量总液位高度和界面

• 可测量上部高介电常数和下部低介电常数介质的

界面（水和CS2）

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1GHZ导波雷达其他优势应用--- 含泡沫介质/低介电常数介质

其他优势应用：

• 泡沫检测

• 测量介电常数小的介质物位（塑料粉末/液

氮/LNG等）--- EOP 专利技术（专利号：

WO 03016835）

Lower Limit

不足： • 接触式测量（受安装空间限制/粘性特

别强无法测量） • 安装相对较复杂（底部/侧面固定等）

信号强度随泡沫层的增厚而减小

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2017年雷达物位测量技术研讨会

大量蒸汽的非接触式测量工况如何选择？

• 典型应用

• 地坑石灰浆液位测量（有冷凝水）

• 其他优势应用

• 导波管测量(对导波管要求相对较低，平面天

线效果更好)

• 高温高压含水介质的非接触式液位测量

（FMR54）

• 应用限制

• 过程级精度仅6mm

• 发射角相对较大，不适合空间狭小的安装条件

• 量程最大仅20m

6GHz低频雷达 有效穿透蒸汽 FMR53

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2017年雷达物位测量技术研讨会

还有一大波具有挑战的工况如何选择？

冷凝/黏附/粉尘 搅拌过程罐 腐蚀/渗透

储罐 远距离无线操作

26GHz 适用90%的工况！

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26GHz雷达适用90%的现场

• 较高的能量

• 较好的穿透能力

• 多样化的天线和结构设计

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• 动态算法（抗干扰）

专利号：US7819002

• Heartbeat心跳技术 +

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有一种干扰叫“多次回波”

• 空标：39m

• 距离D；21.98m

• 液位L：17.02m

• 空标附近出现大的

二次回波，当液位超过18m

时，强度与一次回波接近

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2017年雷达物位测量技术研讨会

传统算法在多次回波干扰下的问题

• 液位超过18m就会频繁出现液位值跳变到1m现象。 • 控制系统设置的液位低于3m连锁停车。

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动态算法克服多次回波干扰

• 动态算法的运用很好地解决了客户现场的波动问题！

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动态算法是如何实现的（专利号：US7819002）

• 也称为多重 回波 矢量追踪算法(同时追踪多达20条回波)

内置算法包括:

•静态算法(核心是比较回波强度) •动态算法(加入短期历史和长期历史) 算法的调用通过以下方式实现: •History off无历史信息 (静态算法) •Short time history结合短期历史--- 矢量信息 (静态+动态算法) •Long time history 结合长期历史信息---轨迹 (静态+动态算法+历史轨迹追踪算法)

动态算法

设备启动

静态算法

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多次回波识别技术动态算法

Empty (Tank Height)

Track 1

Track 2

Track 1

Track 2

Multiple Echo

Level

Empty (Tank Height)

FMR5x

Track 1为真实液位: • Track 1 < Track 2 • Track 1 在量程范围内 • Track 2 位于量程范围之外! Track 1 为正确的液位回波信号.

Track 2 为多重回波 • Track 2 为Track 1两倍的距离 • Track 2 的改变速度为Track 1改变

速度的两倍 • Track 1和 Track 2的行进方向一致 Track 2 在测量范围内为多重回波

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由于该动画无法在网页展示 请课后查看动态算法视频

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干扰回波识别技术动态算法

Empty (Tank Height)

Track 1

Track 2

Track 1

Track 3

Distortion

Level

Empty (Tank Height)

Tank bottom

Obstacle

FMR5x

Track 1为真实液位信号: • 当真实液位没有达到干扰位置时，

Track 3 的位置保持恒定! • Track 1 和Track 3 均处于测量范

围内。 • Track 1的运动方向和 Track 2 以

及 Track 3 的运动方向保持反向。 Track 1 为正确的液位回波信号. Track 3 为干扰信号

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油

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由于该动画无法在网页展示 请课后查看动态算法视频

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动态算法同样可克服多重搅拌造成的干扰 • 介质： 磷酸、碳酸钙、石灰乳等

• 操作温度： 35-65℃

• 操作压力：常压

• 搅拌速度：80r/min

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如何解决腐蚀和渗透的难题？

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强酸性介质：如硫酸/硝酸/盐酸或者其混合物 渗透性介质：氨/苯/醇 酸和有机物的混合物

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雷达波发射接头 气密馈通（可选）

降噪层

整体全PTFE填充

2个密封圈

卡环

FMR52 (PTFE 填充天线, 齐平安装，抗腐蚀，抗冷凝)

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天线:

• 喇叭天线 DN50, DN80, 齐平安装

• 气密馈通 (可选)

密封:

• PTFE, -40…200°C/-40…302°F

材质:

• PTFE, 316L

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无线调试的现场如何应对？

基本特点： • 用于水处理或者公用工程

• 4 to 20mA / HART 输出

• 通过HART调试 也 可选蓝牙（ Bluetooth® ）通讯功能

• 可选数显仪RIA15 – 远程操作显示模块 • 测量范围：5m/8m/10m 或20m

• 精度：±5mm/2mm • 环境/过程温度 -40 to +80°C • 外壳材质：PVDF

• 防护等级 IP 66/68/NEMA4x/6P

• 电缆长度可至 300m

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带蓝牙调试功能的雷达FMR10/20 可通过智能手机/平板进行调试

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高粉尘工况如何应对？ 26GHz雷达非常适合

• 抗粉尘堵塞的吹扫口 • 脉冲式吹扫: Max. 6 bar absolute

• 持续吹扫: 200…500 mbar

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• 防尘罩 连续吹气还是间歇吹气？ 仪表不能测量了再清洗还是定期清洗？

FMR56 FMR57

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通过相对回波幅度监控粉尘的黏附程度

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在专家级菜单中通过四个快捷的步骤即可完成设置！

是否还有更简单的设置方法？

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Heartbeat Technology™

• Diagnostic诊断（ 标配）--- 不间断自我诊断，获取仪表健康信息。

• Verification验证（ 可选项）--- 可按照程序向导生成测试报告，内部包含通

过第三方机构（TUV）认证的SIL Proof test 功能测试。

• Monitoring监控（ 可选项）--- 监控泡沫、黏附等工况并提供报告，内置设

置向导，做到提前维护及过程优化，预防突发事件。

Heartbeat 技术 使得工厂在整个生命周期中经济、高效、安全的运行成为可能

E+H的注册商标

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80GHZ雷达优势

• 典型优势应用

• 发射角3°/量程最大125m/精度最高1mm/适合小罐体/低介电常数/强黏附

• 应用限制

• 导波管/旁通管安装

• 波动剧烈的场合

• 高介电常数粉尘场合

6GHz

6“ 天线

发射角

23°

26GHz

3“ 天线

发射角

10°

80GHz

3“ 天线

发射角

3°

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2017年雷达物位测量技术研讨会

113GHz--- “为您所用”

• 泡沫/低介电常数 • 界面测量 • 气相补偿 • 旁通管应用

• 适用于90%的应用

• 冷凝/蒸汽 • 表面波动 • 导波管应用

• 最小3°的发射角 • 最大125m的测量范围 • 最高0.5mm精度(NMR81)

各有所长！

L-band C-band K-band W-band

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谢谢您的关注和参与!

Any questions?

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