先分清非接觸雷達與導波雷達
雷達先取得參考面到介質表面的距離,再換算液位。非接觸式讓電磁波在槽內自由傳播;脈衝式看傳播時間,FMCW 型則以發射與回波的頻率關係取得對應距離。導波式把脈衝沿探棒傳到介面,因此能量路徑及障礙物處理不同。選非接觸式仍須核對天線材質與製程環境;選導波式則須額外確認探棒接液材質、污染及攪拌機械負載。
教學槽內徑1200 mm,槽底到儀表參考面2400 mm,葉片掃掠半徑260 mm,葉片平面距參考面1600 mm。零液位面設在槽底上100 mm,因此設定空高2300 mm;本文輸出液位 h 一律相對此零面,h=2300−d,預定量程0至2000 mm。尺寸與理想波束均為自訂假設,並非任何原廠安裝保證。
| 比較 | 非接觸 | 導波 |
|---|---|---|
| 能量路徑 | 自由空間至液面 | 沿探棒至介面 |
| 機械限制 | 波束避開內件 | 探棒不得碰攪拌件 |
| 介質條件 | 核對天線及回波強度 | 核對接液材質與探棒 |
| 低介電 | 依料號與安裝確認 | 依探棒型式與電子單元確認 |
空高是從儀表的參考面到零液位面的距離,不能直接把槽高當空高。死區或近端不可用區則是感測器靠近天線的一段範圍;最高液位若落在這段範圍內,液位換算再精準也沒有意義。近底殘量還要考慮槽底圓弧、出口低點與液體無法排乾的位置,不能把零液位畫在幾何最低點後就宣稱可量到底。
把塑膠攪拌槽的避讓位置算出來
以全角8°、半角4°的理想圓錐估算,距離 d 處半徑 r=d×tan(4°)。葉片平面 d=1600 mm 時 r約111.9 mm;把垂直量測軸側移400 mm,理想波束內緣距槽中心約288.1 mm,比葉片掃掠外緣260 mm多28.1 mm。這僅表示在指定葉片平面理想幾何分離,未包含側瓣、葉片厚度及安裝誤差。
| 檢查平面 | 半徑 r | 最近槽壁裕量 | 葉片判斷 |
|---|---|---|---|
| 距參考面1000 mm | 69.9 mm | 600−400−69.9=130.1 mm | 不是葉片平面 |
| 葉片平面1600 mm | 111.9 mm | 88.1 mm | 與掃掠圓相隔28.1 mm |
| 距參考面2200 mm | 153.8 mm | 46.2 mm | 若另有同半徑葉片,會重疊13.8 mm |
| 零液位面2300 mm | 160.8 mm | 39.2 mm | 仍須檢查底部內件 |
塑膠槽的優點是可免開孔安裝某些特定雷達,但槽頂外側的水滴、金屬支架、厚度不均或曲面都可能產生額外反射。若感測器透過塑膠壁量測,應確認該料號允許隔壁量測,並把壁厚、介電特性與外部環境列為驗證條件;不能以『雷達能穿透塑膠』推論任何塑膠槽都能直接量測。對於頂部法蘭安裝,還要確認天線伸入長度、喇叭或透鏡與接管內壁的關係。
在剖面圖標出天線參考面、最高液位、最低可量液位、攪拌軸與葉片的三維掃掠包絡。
依選定料號的波束或安裝角度資料畫出禁入區,將400毫米側移只作為案例起點。
分別在攪拌停止、低速與正常轉速下記錄回波位置和訊號品質,確認葉片回波不被選成液面。
若回波隨葉片週期同步移動,先調整安裝位置或抑制已知障礙,不能只把該距離學成液面。
因此400 mm不是「至少側移多少就永遠安全」的規則:移得更外側會逼近槽壁,葉片高度不同也會改變所需間距。導波探棒即使放在同一側移位置,也還須評估探棒擺動、固定支架及攪拌流場,不能拿自由空間波束裕量替代機械碰撞檢查。
低介電 假回波與三家原廠資料
Endress+Hauser 的非接觸雷達說明,液面回波與介質相對介電常數變化有關;其導波雷達說明則指出脈衝沿探棒傳播,並將介質表面、泡沫、湍流和障礙物的應用條件分開描述。Rosemount 的官方產品資料也把3300、5300導波系列與3408、5408非接觸系列分列。這些頁面可協助理解原理與產品家族,但不能把某一系列的低介電門檻當作全部產品共用的數字。
讀原廠資料時,把產品家族頁作為索引,再開實際料號的操作手冊。選型紀錄至少包括參考面、近端限制、天線或探棒、介電條件、製程溫度與壓力,以及失波輸出。不能將家族頁「適合低介電」解讀為所有介質都適用;三家原廠的設定名稱與距離定義也不一定相同。
假回波 mapping 的用途是讓儀表辨認已知的固定結構,例如接管、支架或某一段固定障礙;它不是把障礙物變成液面,也不是把所有將來出現的回波刪掉。學習前應先確認槽內沒有真液面落在要抑制的位置,且攪拌、進料和溫度條件符合原廠建議。塑膠槽的葉片會旋轉,若回波位置隨時間變化,固定 mapping 可能無法消除它,反而增加誤判風險。
參考:VEGA 非接觸雷達
空高 死區與近底殘量的驗證
本例底部100 mm屬於設定零面以下的區域,不是由雷達規格推得的固定死區。距離2300 mm對應輸出 h=0;距離1300 mm對應 h=1000;距離300 mm對應 h=2000。另假設型號近端不可用區為200 mm,高位點尚有100 mm幾何裕量;若改設 h=2100,就落在 d=200 mm邊界,不能直接接受。
攪拌啟動後若距離在1200與1350 mm間週期變化,先比對葉片轉速和回波品質,不要用平均值把假液面掩蓋。學習假回波前,必須知道真液面位置,並遵守原廠對映射範圍及液位的限制。不能指定一段穿過真液面的學習距離後,把被壓掉的真回波當作成功消除雜訊。
| 驗收點 | 已知距離與輸出 | 記錄內容 | 判斷 |
|---|---|---|---|
| 零面 | d2300/h0 mm | 真液面是否確在零面 | 有效且符合允差 |
| 中位 | d1300/h1000 mm | 攪拌停及運轉的回波 | 追蹤真液面 |
| 高位 | d300/h2000 mm | 泡沫與飛濺 | 不侵入近端限制 |
| 真正排空 | 若槽底回波d2400 | 診斷與允許負液位政策 | 不能冒充零面 |
| 失波 | 不產生正常h | 原因及最後有效時間 | 正確呈現無效 |
三點都要以獨立方式確認實際液面,預先訂好允差與有效率要求,再各記十次距離與狀態;回報無效代表診斷測試可能正確,不代表該點量測通過。真正排空時若看到槽底2400 mm,按此設定得到 h=−100 mm,必須依應用處理;不可無條件夾成零而失去零面設定錯誤的線索。
常見問題與適用限制
FAQ 1:低介電液體是不是一定要用導波雷達?答:不是。非接觸或導波能否使用,取決於特定料號、天線或探棒、介質介電常數、槽體與製程條件。應用原廠選型工具和資料表確認,不以廠牌名稱或量程猜測。
FAQ 2:把攪拌葉片的距離做一次假回波 mapping 就能永久排除嗎?答:不能。葉片的回波可能隨轉角、液面、泡沫和溫度改變;mapping 只能在原廠允許的條件下處理已知固定反射,不能取代避讓、回波品質監視和現場驗收。
FAQ 3:非接觸雷達和導波雷達可以共用同一個空高與死區數字嗎?答:不能直接共用。兩者的參考面、近端限制、安裝結構和有效量程定義可能不同,必須為實際料號建立獨立的量測表。
FAQ 4:塑膠槽外側裝雷達後只要有讀值就算成功嗎?答:不算。要確認該型號允許透過槽壁、槽壁材質和厚度符合條件,並在空、半、高液位及攪拌狀態驗證真液面。外壁水滴、曲面和支架都可能造成假回波。
本文只建立選型與安裝驗證方法,沒有杜撰PLC寄存器、輸出位址或安全規格,實際工程應由儀表工程師依選定型號資料表、製程危害、機械圖與現場試車結果完成最終決策。