直面雷达技术的挑战


作者:Jörg Kempf 日期:2018/09/10 来源:PROCESS《流程工业》

散装物料是否真的需要雷达物位计?这就是Vega公司2014年推出Vegaplus 69型80GHz频率雷达物位传感器时提出的问题。客户的回答是一个非常肯定的“是”。尽管当时的雷达传感器已经覆盖了大部分松散物料的应用领域,但总有一些可以更好的、或者高动态范围的应用领域需要更高性能的雷达传感器。80GHz频率的雷达传感器很有可能成为一个前所未有的成功故事。两年后,Vegaplus 64型液位检测传感器问世了。2018年,Vega公司突破了80GHz传感器的10万台销售大关。

 “未来,凡是可以使用80GHz高频雷达传感器的领域我们都将采用雷达检测技术。”  ——Karl Dahlke先生,Swissmill公司 

“未来,凡是可以使用80GHz高频雷达传感器的领域我们都将采用雷达检测技术。”
 ——Karl Dahlke先生,Swissmill公司

Vega公司自己也对如此快速的发展感到吃惊。公司负责雷达传感器的两位产品经理Jürgen Skowaisa先生和Clemens Hengstler先生回忆道:“2014年时我们已经知道80GHz雷达传感器的应用潜力了。Vegaplus 69在所有的性能测试中都有着令人信服的检测结果,我们确信它会取得成功。”Vegaplus 64型雷达传感器在液位检测的征途中还有很长的路要走。充填量检测技术专家们预感到高频检测技术在物位检测中也有许多优势,“但距离我们能够开发出具有Vegaplus 64雷达传感器这种精度的产品还需付出大量的时间和精力。”Hengstler先生说。Skowaisa先生补充说:“我们毫不怀疑自己能够开发出最好的传感器。尽管如此,我们也相信在实现这一技术突破还要付出巨大的努力。”

这一技术究竟改变了什么?80GHz检测技术面临的挑战和需要解决的问题是什么?以下表格中列举的是从不同行业中遴选出来的一些实例。

应用举例:80GHz技术的优点

应用/参考 应用领域 为什么检测充填量? 困难/挑战 其他检测技术遇到的难题 80GHz技术的解决方案

行业:化工

 
法国Thann市Cristal公司的二氧化钛生产 纯白色氧化钛在不同的工业生产领域中常常用作工业颜料。
在生产过程中,需要各种反应过程。
 
为了实现高质量的产品并使生产过程尽可能高效,必须在各种工况下都对反应器中液位高低进行监控。 由于反应为放热过程,不仅温度变化而且侵蚀性的蒸汽和产品飞溅都会产生强烈的沉积物,对传感器的耐化学性提出了高要求。 原来使用的频率范围为6GHz的雷达传感器,维护成本高且耗时。此外,原来一直使用的老工艺技术不再适用了。 由于其紧凑的传感器结构设计和双线技术,Vegapuls 64可以轻松集成到以前的Cristal系统中。
它能承受消化反应釜中极高的负荷,并且可靠地、准确地监测着填充量水平。
行业:制药  
中国上海附近的制药企业 在提取过程的帮助下生产出具有高剂量精度、含有活性成分的生物制剂。 在真空蒸发器中检测高粘度物质提取过程中使用液位传感器直至蒸发器底部的液位检测,传感器可以准确地检测直至最后一个批次的蒸发过程。 这一流程工艺过程中极小的一点偏差也会导致药物粘度的巨大差异。由于不能直接测量,因此通过对充填量高度变化进行间接测量。 工艺条件,尤其是真空操作和容器内部的工艺条件已经超越了以前能够使用超声波测量技术的条件。另外,容器中加热罩刮刀的附着物也会导致测量不准确。 使用80GHz频率的雷达传感器时提取物的均匀性和过程效率都得到了提高。解决了因容器内结块而带来的检测不准和原材料浪费等问题。
行业:食品  
意大利西西里岛Italkali公司筒式盐仓中的充填量检测 用于盐矿中储存生产不同类型盐产品筒仓中的库存检验。这些盐可以用于日常消费品生产,也可以是工业除冰、软化水和清洗工艺用盐以及宠物食品和制革。 为采集筒仓中的库存和可靠的安排生产计划,必须准确掌握筒仓中的盐储
备量。
盐吸湿会导致筒仓壁和筒仓辅助设备上出现沉积物,利用物位检测技术可以在短时间内测得盐层的位置信息。 需要在筒仓的整个高度范围内检测盐的充填量,原来使用的超声波充填量检测系统不能提供可靠的检测结果。由于可能发生的污染不排除过度充填的可能性以及由于筒仓已空而导致供货延迟的可能性。 Vegapuls 69的天线对沉积物不敏感,即使在粗糙应用中也能确保免维护运行。
吹扫空气可以在极端条件下完成高效的清洁。
传感器较大的动态检测范围确保可以可靠地测量像盐这样具有良好反射特性的介质。
南非RCL食品公司的各种糖生产 满足于日常家庭消费,以及饮料、食品和甜味奶制品的生产。 在各种类型糖的生产中坚固的零部件是非常重
要的。
必须严格遵守工艺条件:停留时间和温度,否则会对产品品质产生负面
影响。
为了达到结晶过程所需的糖浓度,需将糖溶液在真空下煮沸。 容器以及所有安装在容器内部装置和传感器都会沉积厚重的沉积物,这使得可靠的测量非常困难。 结晶过程以及蒸汽和冷凝过程中的过程温度和产品生产的温度可高达100℃。
在这样的温度条件下,以前使用的26 GHz雷达技术有着较高的停机时间和生产损失,传感器必须一次又一次地接受特定流程工艺的挑战。
Vegapuls 64传感器结构紧凑,工作可靠。其Kalrez密封件可以有效地防止湿气进入传感器内,即使在高温下也不受影响。
雷达传感器的窄光束角简单地绕过糖沉积物。 传感器更高的动态性能能够产生可靠的信号,使传感器对沉积物不敏感。
意大利Socado公司的巧克力生产 以完全不同的方式和方法生产各种各样的巧克力 Vegapuls 64可以精确并持续的检测巧克力容器中的充填量。
可靠和准确的液位测量是确保巧克力质量的重要条件之一。
除了很高的卫生要求和连接件良好的可清洁性要求外,测量时的环境条件通常也是检测技术的一个挑战。 
高温、很强的沉积附着性能和大量的搅拌器使选择正确的测量方法变得非常困难。
在迄今使用的超声波传感器中,由于内置搅拌器造成的粘连附着和干扰影响,使得充填量测量结果常常出现许多的不确定性。此外,迄今为止所使用的传感器不可能实现用户希望的传感器前端平齐安装的要求。 尽管沉积比较严重但检测数据保持的非常稳定。不论雷达传感器安装在靠近巧克力罐的顶部或者底部,检测精度非常高。因此可以在整个巧克力罐中使用。
非接触式检测最佳地满足了卫生要求。雷达传感器天线的前端防护罩可以实现最佳的卫生清洁,并对CIP原位清洁和SIP原位消毒等极端的工作条件不敏感。
瑞士Swissmill磨坊中面粉和麸皮筒仓中的充填量检测 磨坊利用不同的谷物加工工艺生产面粉和烘焙混合物。由于当前许多面粉都含有生物质,因此物流领域的工作量非常大。 为了储存不同的面粉种类就需要不同规格尺寸的筒仓。可靠的采集筒仓中的库存量信息是保证高效和可靠供货的基础。 麦片类谷物产品的测量有两个主要挑战:向筒仓中供料时尘土飞扬,筒仓内介质完全不同的特性。小麦和黑麦的充填量检测相对还比较容易;像麸皮一类非常轻的介质充填量检测就非常困难了。 灌装过程中的大量灰尘和巨大的噪音最大程度的限制了超声波传感器的应用。
对于低反射特性的、非常轻的介质,制导雷达并不总是可行的。
大约120种不同的面粉的介电常数都略有不同。 在制导雷达中,绳索经常断裂并且会粘附有谷物,导致错误的测量信号。
用面粉填充筒仓时,Vegapuls 69雷达传感器采用非接触式的检测方法,并能够顺利地穿透筒仓中密集尘埃。
高动态范围使重量轻的介质,例如麸皮或谷壳的充填量也能正确的测量出来。
由于测量范围达120 m,因此可以在非常高的筒仓使用。
行业:水处理  
德国Neu-Ulm市ZVK污水处理厂的钢质灰粉筒仓中的储存测量 该污水净化处理厂的污水净化能力约440 000人口当量。污水处理时产生的污泥经脱水、干燥处理后进行焚烧。焚烧后产生的灰粉存储在钢质筒仓中,直到全部移除为止。 钢质灰粉筒仓中灰粉的存储量是运送灰粉的重要基础资料。如果一辆载重车不能将储存的灰粉完全运出去就会产生额外的运输费用。 除了灰粉有着较高的温度之外,在装卸灰粉时也会产生大量的粉尘。这些粉尘会粘附在筒仓侧壁和筒仓的附件上。 微细的灰粉会产生强烈的粉尘飞扬,这就加大了迄今为止26GHz雷达传感器的检测难度,导致检测结果不准确。使用雷达天线罩或者采用空气气流清理等措施也没有得到理想的效果。 VegaPuls 69型80 GHz雷达传感器可以简简单单地插入或者附着在筒仓侧壁上,从而使测量更安全,更可靠。
测量装置本身由坚固的PEEK材料制成,具有很好的耐高温和耐化学性能。
透镜天线对沉积物和污垢不敏感,并且没有磨损。
行业:石油/天然气  
加拿大安大略省炼油厂各种介质的液位测量 加拿大炼油厂中对包括丙烷、燃料油和重质燃油等各种产品的液位检测。 非接触式的雷达检测技术可以可靠地检测腐蚀性液体介质的液位。Vegaplus 64型雷达传感器较大的动态检测范围能够可靠地检测到雷达波反射小的微量信号。 丁烷因其化学成分而被视为特别难以测量的介质。检测时遇到的挑战是:容器尺寸大(球罐的测量范围将近20 m),2in的喷嘴接口(狭小的空间和小直径的喷嘴使原来使用的26 GHz传感器很难完成检测任务)。另外,很强的雷达波反射干扰也明显影响了检测结果的可靠性和精度。 炼油厂利用GWR导波雷达来检测球罐内的丁烷含量。波导雷达探头处配有一个浮子,以便能够提供介电性能极低丁烷的反射信号。GWR与浮子的组合不能够提供可靠的检测结果。 炼油厂安装了Vegaplus 64型雷达传感器。其频率高达80 GHz,雷达波束很窄,可以减少球罐内的干扰信号。也为用户提供了更加准确、清晰的球罐液位数据。
相比较,26 GHz雷达传感器的反射角是Vegaplus 64的三倍左右。对冷凝物引起的干扰也不那么敏感。

 

Skowaisa先生和Hengstler先生在世界各地考察和推广,将80GHz的雷达传感器从德国的黑森林地区带到世界各地。一段难忘的经历是一位顾客在推介会现场拿出了大惊喜。将一个第一代、大约25岁的Vegaplus 64K雷达传感器摆到课桌上。这位顾客还有一台老式笔记本电脑,他用这台电脑操作着老式雷达传感器。“我们真的看到了老传感器的雷达回波曲线了,新、老传感器的回波曲线,从6GHz到80GHz的发展历史!”

“2018年将继续推广80GHz产品。”Skowasiasa先生答道。预计2018年的80GHz雷达传感器的销量会继续增长。“2017年年初时我们还没有获得全球市场准入的许可证。2018年有了全球市场的准入许可证之后80GHz传感器的销量将会大幅提高。另外,我们总是能够不断发现之前不适合雷达传感器技术的全新应用领域。”