过程控制最新进展 | 液位测量的新机遇——高频雷达传感器
80 GHz雷达传感器的采用代表了液位测量方面思维方式的转变。由于信号集中，高频设备已经为过程控制行业的发展带来了新的机遇。
使用80 GHz传输频率的雷达传感器进行液位测量可以提高信号聚焦，以实现在具有搅拌器、加热线圈和其他内部障碍物的罐体中进行准确、可靠的测量。 这是因为较窄的发射光束使雷达更适合球阀的应用要求，而且提高传输频率可以对应更小的天线尺寸，因此对于改造和更小罐体的应用比较理想。
聚焦光束避免了障碍物的问题
光束角度聚焦的提高是80 GHz雷达仪表的主要好处，这一点改进也让其他方面成为可能。在每个工艺中，聚焦对于精确的料位测量都是至关重要的，这些新的仪表发射的信号是市场上聚焦程度最高的。
工厂的操作员们已经被不聚焦的雷达折磨了几十年了，特别是在液位测量的应用场合。光束角度宽的26 GHz传感器（在其之前是6 GHz传感器），想要让雷达信号避开搅拌器、加热线圈以及其他容器内部器件都很困难。例如，一个采用26 GHz传输频率和80毫米直径天线的雷达传感器只能使用10度左右的光束角度。这些仪表接收来自于容器内部件反射的光束，这些光束在反射过程中失真了，用户不得不通过调整来检测真正的液位。
采用相同尺寸的天线，80 GHz的仪表发射的光束角度仅仅为3度。这使得它们可以被用在内部有部件安装的容器或者密布在内壁上的情况。聚焦微波光束很简单地避开了这些障碍，仿佛它们就不存在一样。这个性能在化工和食品生产行业很受欢迎，在这些应用场合中，容器内部障碍物是标准设计，因为空间是很珍贵的（请见图1）。
图1: 80 GHz雷达传感器的聚焦光束（黄色）避开了内部搅拌器，而该搅拌器却会与26 GHz雷达光束（灰色）相接触。图片来源：VEGA公司
提高信号聚焦的一个令人激动的好处是提升雷达传感器安装在球阀上时的性能表现。 过去，将26 GHz雷达传感器安装在一个球阀上的时候，要想获得精确的液位测量是很有挑战的。球阀内部有很多可以反射雷达信号的内表面。更有甚者，人们将球阀和排放环组合使用，这会制造更多的信号噪声。这样的反射让人们很难分辨出哪些信号是阀门产生的，哪些信号来自于产品的。这样的困惑迫使操作员求助于仪表制造商，不过最好的解决方案通常很难实现，而且除了工厂技术人员的最大努力之外，可能还需要有实验和误差纠正的时间段。
提高雷达传感器的聚焦意味着阀体内部反射的无效信号更少。这种减少噪声的方式会为罐体内提供清晰的液位画面。世界各地的用户们都已经体验了在普通的3英寸和4英寸球阀上安装80 GHz雷达传感器带来的稳定的液位测量。通常阀体越大，信号越清晰，不过80 GHz在2英寸的球阀上性能也很好。
这对于那些需要使用球阀来将他们的设备和产品分离开的用户来说是一个重大的突破，因为考虑到测量困难程度太大，用户们之前都避免安装雷达液位测量设备。雷达的精度和低维护的可靠性现在成了可行的选项。
小型天线让雷达用在了新领域
提高雷达传感器的聚焦对其天线也会产生影响，天线的尺寸随着传输频率的提高而变小。因此，一个80 GHz的传感器不需要一个大喇叭来对着被测量物质进行光束对焦。信号全部采用窄光束。节省的空间带来很多好处，特别适用于改装的应用场合。
现在的工厂可以在不用支付数万美元改造容器的情况下，将最先进的雷达设备整合到现有的过程当中。对于那些渴望雷达设备已久却又无力承担改造费用的用户来说，高频雷达无异于节省了他们的预算。较小的仪器不仅对改造老旧的容器来说更容易，它们还可以帮助制造商对市场做出敏捷反映和应对。
在制药和化工行业有一个批量生产的趋势。批量生产可以让操作员在较少的经济投资的情况下生产出季节性的、小批量的产品。小批量是在小的容器内生产出来的，而传统的看法是由于工艺连接比较小，使用雷达不太可能。得益于80 GHz雷达传感器的紧凑型天线，这种看法已经不成立了，操作员们不再需要以空间有限为名义而牺牲精确的测量了（请见图2）。
图2： 更小的工艺连接件使得80 GHz雷达传感器成为现有罐体改造的理想之选。
增强的分辨率可以测量到最后一滴
任何迷恋陈旧的动作电影的影迷们都会很熟悉如下的场景：在一个布满了看上去昂贵的监控设备的实验室里，一个调查人员站在一名电脑高手的背后。他们正看着一块块的闭路电视画面，他们知道一个屏幕上的一个模糊不清的人物是犯罪的幕后主谋。电脑高手敲击了几下键盘，然后在电脑屏幕上出现绿色的“增强”字样。模糊的脸会变得更清楚一些。
电脑高手噼里啪啦地敲键盘，进一步增强画面的质地，会显示出罪犯的清晰的面部图像。这可能是一个懒惰的编剧的例子，不过当用户从低频雷达传感器切换到高频雷达传感器时，这样的情节和不同的分辨率带给他们的体验是很好的类比。
如果一个容器内的液位变得足够低，26 GHz雷达无法将剩余产品反射的信号和罐底反射的信号分辨出来，用户就会想当然地认为容器已经空了，而事实上还没有。这和动作电影中电脑高手无法增强监控画面的道理是一样的。分辨率受限体现了过程效率的自然缺陷。更聚焦的80 GHz雷达设备可以测量罐内液位到最后的1毫米，为用户优化其工艺过程提供精确的数据。它不能阻止一场恐怖袭击，也不能避免一场策划精密的抢劫，不过80 GHz的雷达传感器可以通过其增强的分辨率帮助用户避免浪费。
高频传输的局限性
在有一些情况下80 GHz传感器是受到限制的。在有泡沫肆虐的液体应用场合，导波雷达（GWR）相比于80 GHz传感器是更合适的方案，因为GWR变送器发射的通过探头传导的集中雷达脉冲不会被泡沫吸收。 这不是说80 GHz雷达不能再有泡沫的应用场合工作，只是通常来说导波雷达会工作的更好。
除此以外，不推荐在静井或竖管上使用高频仪表。这是一种不利于高频雷达应用的场合。请注意80 GHz光束对于产品有更多的模式（思考、路径），而且在静井的受限空间内，那些模式发出来的信号会生成令人迷惑的读数。在这种情况下，虽然80 GHz雷达传感器可以工作，但是6GHz传感器会输出更加容易读取的测量结果。
展望未来
这并不是言过其实：80 GHz传输频率改变了和液位测量相关的所有事物。出众的信号聚焦可以为配备有搅拌器、加热线圈或其他内部组件的罐体提供精确的、可靠的测量。不仅如此，更窄的光波发射使雷达成为可以在球阀上使用的更优选项。更高的传输频率和更小的天线相伴，成为改造场合和更小的罐体的理想之选，增强的分辨率使得用户可以在每个容器内充分发挥其性能。
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年8月刊《应用案例》栏目，原标题为：高频雷达传感器为液位测量应用带来了新机遇