So sánh phép đo mức radar giữa xung 26GHz và FMCW 80GHz

Máy phát mức radar, hoạt động ở tần số xung 26 GHz và tần số FMCW 80 GHz, mang lại những lợi thế riêng biệt trong các ứng dụng đo mức, với sự lựa chọn giữa chúng tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể như độ rộng chùm tia, độ phân giải và độ sâu thâm nhập.

Cảm biến 80 GHz cung cấp độ phân giải cao hơn và độ rộng chùm tia hẹp hơn, trong khi cảm biến 26 GHz cung cấp phạm vi phủ sóng rộng hơn và độ thâm nhập sâu hơn, khiến mỗi loại phù hợp với các tình huống công nghiệp khác nhau.

Máy phát mức radar xung 26 GHz hoạt động theo nguyên lý đo thời gian bay (TOF), sử dụng các đợt sóng điện từ tần số cao ngắn để xác định mức chất lỏng hoặc rắn trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.

Công nghệ này phát ra các xung vi sóng hẹp ở tần số 26 GHz, được truyền xuống thông qua ăng-ten.

Nguyên lý hoạt động cơ bản bao gồm các bước sau:

• Phát xung: Máy phát tạo ra các xung bức xạ vi sóng ngắn, năng lượng cao ở tần số 26 GHz.
• Truyền tín hiệu: Các xung này truyền qua ăng-ten và hướng về bề mặt của vật liệu đang được đo.
• Phản xạ: Khi đến bề mặt vật liệu, các xung vi sóng được phản xạ trở lại máy phát.
• Đo thời gian: Thiết bị đo chính xác thời gian xung truyền đến bề mặt và quay trở lại.
• Tính toán mức: Sử dụng tốc độ đã biết của sóng điện từ và thời gian đã đo, máy phát sẽ tính toán khoảng cách đến bề mặt vật liệu, do đó xác định mức.

Các tính năng chính của máy phát mức radar xung 26 GHz bao gồm:

• Khả năng tầm xa: Các thiết bị này có thể đo mức lên đến 80 mét, phù hợp với các bồn chứa hoặc silo cao.
• Tính linh hoạt: Có thể sử dụng cho cả vật liệu lỏng và rắn trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
• Đo không tiếp xúc: Công nghệ radar cho phép đo mức chính xác mà không cần tiếp xúc trực tiếp với môi trường, bảo toàn tính toàn vẹn của cả cảm biến và vật liệu được đo.
• Khả năng chống chịu các yếu tố môi trường: Máy phát radar xung hoạt động tốt trong các điều kiện khắc nghiệt như bụi, hơi hoặc bọt.

Tần số 26 GHz mang lại sự cân bằng giữa khả năng xuyên thấu và độ chính xác của phép đo, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng đo mức công nghiệp.

Thiết kế ăng-ten được tối ưu hóa giúp nâng cao hơn nữa hiệu suất của các máy phát này, cho phép đo đáng tin cậy trong các hình dạng bồn chứa phức tạp.

 

Máy phát mức radar sóng liên tục điều chế tần số 80 GHz (FMCW) hoạt động theo nguyên lý hoàn toàn khác so với hệ thống radar xung.

Công nghệ tiên tiến này sử dụng tín hiệu phát liên tục với tần số thay đổi để đo mức vật liệu với độ chính xác cao. Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy phát mức radar FMCW 80 GHz bao gồm:

• Phát tín hiệu: Máy phát phát tín hiệu vi sóng liên tục ở tần số 80 GHz, thường nằm trong phạm vi 76-81 GHz.
• Điều chế tần số: Tần số của tín hiệu phát ra được điều chế liên tục, thường theo mô hình quét tuyến tính.
• Truyền tín hiệu: Tín hiệu được điều chế truyền qua ăng-ten về phía bề mặt vật liệu.
• Phản xạ: Khi đến bề mặt vật liệu, tín hiệu được phản xạ trở lại máy phát.
• Phân tích tín hiệu: Thiết bị so sánh tần số của tín hiệu trả về với tần số hiện đang truyền.
• Tính toán mức: Chênh lệch tần số giữa tín hiệu truyền và tín hiệu nhận được được sử dụng để tính khoảng cách đến bề mặt vật liệu, xác định mức.

Các tính năng chính của máy phát mức radar FMCW 80 GHz bao gồm:

• Độ chính xác cao: Tần số cao hơn và công nghệ FMCW cho phép đo cực kỳ chính xác, thường có độ chính xác xuống đến milimét.
• Góc chùm hẹp: Tần số 80 GHz tạo ra chùm tia có độ hội tụ cao, cho phép đo trong các bể hẹp hoặc qua các lỗ nhỏ.
• Hiệu suất tuyệt vời trong điều kiện khó khăn: Các máy phát này có thể đo mức hiệu quả ngay cả khi có bụi, hơi nước hoặc nhiễu loạn.
• Dải chết ngắn: Tần số cao cho phép đo rất gần cảm biến, giảm diện tích không thể đo được gần máy phát.
• Khả năng chống nhiễu: Công nghệ FMCW ít bị nhiễu từ các bộ phận bên trong bể hoặc các thiết bị radar khác.

Công nghệ FMCW 80 GHz đặc biệt phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như trong ngành hóa chất, dược phẩm hoặc thực phẩm và đồ uống.

Chùm tia hẹp và khả năng xử lý tín hiệu tiên tiến giúp các máy phát này lý tưởng cho các hình dạng bể phức tạp hoặc vật liệu có hằng số điện môi thấp.

Độ rộng chùm tia của máy phát mức radar đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và tính phù hợp của chúng đối với nhiều ứng dụng khác nhau.

Khi so sánh các hệ thống radar 26 GHz và 80 GHz, sự khác biệt đáng kể về độ rộng chùm tia trở nên rõ ràng, ảnh hưởng đến hiệu quả của chúng trong các tình huống khác nhau. Hệ thống radar 80 GHz cung cấp độ rộng chùm tia hẹp hơn đáng kể so với các hệ thống 26 GHz tương ứng.

Bước sóng của radar 80 GHz chỉ là 3,75 mm, trong khi radar 26 GHz có bước sóng là 11,5 mm.

Bước sóng ngắn hơn này tạo ra chùm tia hẹp và tập trung hơn cho các hệ thống 80 GHz.

Chùm tia hẹp hơn của radar 80 GHz mang lại một số lợi thế:

• Cải thiện độ chính xác đo lường trong hình dạng bể phức tạp
• Giảm nhiễu từ thành bể và cấu trúc bên trong
• Hiệu suất tốt hơn trong bể hẹp hoặc khi đo qua các lỗ nhỏ
• Khả năng tránh chướng ngại vật và đo mức thực của môi trường được cải thiện
• Ví dụ, ở khoảng cách 10 mét, chiều rộng chùm tia của radar 80 GHz với băng thông 4 GHz chỉ bằng 30% chiều rộng của radar 24 GHz với băng thông 2 GHz.

Sự khác biệt đáng kể về chiều rộng chùm tia này chuyển thành diện tích đo lường khoảng 0,5 m đối với radar 80 GHz so với 1,75 m đối với radar 24 GHz ở cùng khoảng cách.

Ngược lại, hệ thống radar 26 GHz có độ rộng chùm tia rộng hơn, mang lại những lợi thế riêng:

• Khả năng đo diện tích lớn hơn chỉ bằng một lần đo
• Hiệu suất tốt hơn trong các ứng dụng có bề mặt không bằng phẳng hoặc nhiễu loạn
• Tăng khả năng phát hiện mức thực trong các bể chứa có máy khuấy hoặc các bộ phận chuyển động khác

Chùm tia rộng hơn của radar 26 GHz có thể có lợi trong một số trường hợp nhất định, chẳng hạn như đo chất rắn dạng khối hoặc trong các ứng dụng cần diện tích đo lớn hơn.

Tuy nhiên, chùm tia rộng hơn này cũng có thể dẫn đến nhiễu từ thành bể chứa hoặc các cấu trúc bên trong trong một số trường hợp.

Cần lưu ý rằng độ rộng chùm tia có thể bị ảnh hưởng bởi thiết kế ăng-ten cũng như tần số.

Ví dụ, Autrol ALT6210, máy phát mức radar xung 26 GHz, có góc chùm tia hẹp và thẳng là 10°, chứng minh rằng việc tối ưu hóa ăng-ten có thể giúp giảm bớt một số hạn chế về độ rộng chùm tia liên quan đến tần số thấp hơn.

Khi lựa chọn giữa hệ thống radar 26 GHz và 80 GHz, các kỹ sư phải cân nhắc cẩn thận các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, tính đến các yếu tố như hình dạng thùng chứa, đặc điểm của môi trường và độ chính xác đo lường mong muốn để xác định cấu hình độ rộng chùm tia nào phù hợp nhất với nhu cầu của họ.

 

Tần số của máy phát mức radar đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác của phép đo, với tần số cao hơn thường mang lại độ chính xác và độ phân giải được cải thiện.

Mối quan hệ giữa tần số và độ chính xác này bắt nguồn từ một số yếu tố chính: Bước sóng và Độ phân giải: Hệ thống radar tần số cao hơn hoạt động với bước sóng ngắn hơn, cho phép phát hiện chính xác hơn những thay đổi nhỏ về mức.

Ví dụ, cảm biến radar 80 GHz, với bước sóng ngắn hơn là 3,75 mm, có thể phát hiện mức độ phân giải cao hơn so với cảm biến 26 GHz có bước sóng 11,5 mm.

Độ phân giải tăng này chuyển thành các phép đo chính xác hơn, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu phát hiện mức độ chi tiết.

Băng thông tín hiệu: Hệ thống radar tần số cao hơn thường sử dụng băng thông tín hiệu rộng hơn, góp phần cải thiện độ chính xác của phép đo. Ví dụ, radar 24 GHz thường điều chế giữa 24 và 26 GHz, cung cấp băng thông 2 GHz, trong khi radar 80 GHz điều chế giữa 78 và 82 GHz, cung cấp băng thông 4 GHz.

Băng thông rộng hơn cho phép đo thời gian bay chính xác hơn, dẫn đến độ chính xác được nâng cao. Góc chùm tia và tiêu điểm: Các radar tần số cao hơn tạo ra các chùm tia hẹp hơn, tập trung hơn.

Đặc điểm này làm giảm nhiễu từ thành bể và các cấu trúc bên trong, dẫn đến các phép đo chính xác hơn, đặc biệt là trong các hình dạng bể phức tạp.

Ví dụ, chùm tia hẹp hơn của radar 80 GHz cho phép nhắm mục tiêu chính xác hơn vào bề mặt vật liệu, giảm thiểu các phép đo sai từ các chướng ngại vật xung quanh.

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu: Ở tần số cao hơn, hệ thống radar có thể gửi và nhận nhiều tín hiệu hơn trong một khung thời gian nhất định, liên kết chúng rõ ràng hơn với mục tiêu do các đỉnh hẹp hơn, chính xác hơn.

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu được cải thiện này góp phần nâng cao độ chính xác của phép đo, đặc biệt là trong các môi trường đầy thách thức có khả năng gây nhiễu.

Độ xuyên thấu và hiệu suất: Mặc dù tần số cao hơn thường mang lại độ chính xác tốt hơn, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là các tần số thấp hơn như 26 GHz có thể xuyên qua một số vật liệu hiệu quả hơn, chẳng hạn như bụi, hơi nước hoặc bọt.

Khả năng xuyên thấu này có thể rất quan trọng để duy trì độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp cụ thể khi các yếu tố này phổ biến.

Khoảng cách: Mối quan hệ giữa tần số và độ chính xác cũng bị ảnh hưởng bởi khoảng cách đo. Về mặt tương đối, các dải tần số thấp hơn có thể đo các khoảng cách xa hơn, trong khi các dải tần số cao hơn phù hợp hơn với các khoảng cách ngắn hơn với độ chính xác cao hơn.

Sự đánh đổi này phải được cân nhắc khi lựa chọn tần số radar phù hợp cho một ứng dụng nhất định. Cần lưu ý rằng trong khi tần số là một yếu tố quan trọng trong việc xác định độ chính xác của radar, các yếu tố khác như thiết kế ăng-ten, thuật toán xử lý tín hiệu và điều kiện lắp đặt cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất đo lường tổng thể.

Do đó, việc lựa chọn tần số radar phải dựa trên đánh giá toàn diện các yêu cầu ứng dụng cụ thể, cân bằng nhu cầu về độ chính xác với các yếu tố hiệu suất khác.