Cảm biến mức nước radar sóng milimét: nguyên lý FMCW 80GHz | METRAVON

METRAVON — Cảm biến mức nước radar sóng milimét: nguyên lý FMCW, đặc điểm 80GHz và ứng dụng thủy văn

Cảm biến mức nước radar sóng milimét là thiết bị đo khoảng cách không tiếp xúc lắp trên mặt nước. Nó đo khoảng cách từ điểm tham chiếu radar đến nước, rồi chuyển thành mức hoặc cao độ bằng mốc kỹ thuật xác định.

Với trạm mức nước, FMCW mô tả cách ước lượng khoảng cách, không phải độ không đảm bảo đo của bản ghi mực nước cuối cùng. Phải xác minh hồi âm nước, tham chiếu ăng-ten đã khảo sát, chuyển đổi cao độ và giá trị truyền đi. Ăng-ten nhỏ gọn chùm sóng hẹp giúp tránh kết cấu, nhưng đồ thị bức xạ thực và hình học địa điểm quyết định vùng mục tiêu hữu ích.

Radar đo trực tiếp khoảng cách

Đầu tiên, radar đo khoảng cách D từ mặt phẳng tham chiếu của nó đến mặt nước.

Để chuyển đổi khoảng cách đó thành mực nước thực, hệ thống cũng phải biết mối quan hệ giữa điểm lắp đặt và mốc mực nước của dự án.

Do đó, radar có thể đo khoảng cách chính xác trong khi mực nước hiển thị cuối cùng vẫn sai nếu độ cao lắp đặt hoặc cấu hình tham chiếu không chính xác.

FMCW xác định khoảng cách đến mặt nước như thế nào?

Radar FMCW liên tục phát tín hiệu quét có tần số thay đổi theo thời gian.

Hồi âm phản xạ từ mặt nước đến có độ trễ. Điều này tạo tần số phách giữa hồi âm trễ và tín hiệu đang phát.

Với quét tần tuyến tính lý tưởng và mục tiêu đứng yên, quan hệ đơn giản là D = c * f_b / (2 * S), trong đó D là khoảng cách, c là tốc độ truyền, f_b là tần số phách và S là độ dốc quét. Điều này giải thích nguyên lý đo khoảng cách; không phải quy trình hiệu chuẩn hay tuyên bố về băng thông của một kiểu METRAVON cụ thể.

Xử lý tín hiệu có thể tách hồi âm ở các khoảng cách khác nhau nếu hồi âm và độ phân giải hệ thống cho phép. Trạm vẫn phải nhận diện hồi âm nước giữa kết cấu cố định và mục tiêu thay đổi. Xác nhận quyền truy cập chẩn đoán của phiên bản đã chọn thay vì giả định giá trị mức qua giao tiếp nối tiếp gồm cả phổ hoặc đường cong hồi âm.

Tại sao 80 GHz lại hữu ích cho việc giám sát cầu và sông?

Một radar khoảng 80 GHz có thể tạo ra chùm tia hẹp bằng cách sử dụng ăng-ten tương đối nhỏ gọn.

Các vị trí thủy văn điển hình có thể chứa:

• Trụ cầu;
• Dầm kết cấu;
• Bờ sông;
• Lòng sông lộ thiên;
• Cửa van;
• Thảm thực vật và mảnh vụn trôi nổi.

Chùm tia hẹp hơn làm giảm khả năng các vật thể này đi vào khu vực đo chính.

Tại sao vị trí lắp đặt cao hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn?

Chùm sóng radar có độ mở góc xác định. Khi khoảng cách đến nước tăng, vùng phủ trên mặt nước thường lớn hơn.

Do đó, đối với cảm biến gắn trên cầu cao, điều kiện nước thấp có thể đưa ra các mục tiêu mới như bờ sông, khu vực nông hoặc lòng sông lộ thiên.

Dùng mực nước cao và thấp thiết kế của dự án, có xét quan sát lịch sử, để xác định phạm vi đo. Khảo sát ở nước bình thường không chứng minh khoảng hở với bờ khi nước thấp hoặc khoảng hở cự ly gần khi nước cao. Lưu hướng ăng-ten và cao độ khảo sát cùng cấu hình trạm.

“Sóng milimet” có nghĩa là độ chính xác 1 mm không?

Sóng milimet mô tả phạm vi bước sóng điện từ. Nó không trực tiếp xác định lỗi đo lường của thiết bị.

Hiệu năng cuối cùng phụ thuộc băng thông hiệu dụng, xử lý tín hiệu, thiết kế ăng-ten, tỷ số tín hiệu trên nhiễu, hiệu chuẩn và môi trường lắp đặt.

Vì vậy phải xác nhận độ chính xác từ bảng thông số của đúng kiểu radar.

Chuyển động của mặt nước có ảnh hưởng đến radar không?

Chuyển động bề mặt thay đổi mục tiêu phản xạ. Đáp ứng chấp nhận được phụ thuộc nội dung trạm cần ghi; lọc có thể giảm dao động ngắn nhưng thêm trễ và không chứng minh đã chọn đúng mục tiêu. Tránh thác, bắn tóe mạnh và tuần hoàn dai dẳng khi chọn điểm đo đại diện.

Do đó, các trạm quan trắc thủy văn nên được lắp đặt trên một phần mặt nước đại diện và ổn định hợp lý bất cứ khi nào có thể.

Nên hiểu độ ẩm, sương mù và sự ngưng tụ như thế nào?

Radar không phụ thuộc vào tốc độ âm thanh, do đó, sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ không khí bình thường thường không phải là nguyên nhân chính gây ra sai số đo khoảng cách.

Tuy nhiên, màng nước, đóng băng và ngưng tụ nặng trực tiếp trên ăng-ten có thể làm thay đổi môi trường điện từ trường gần.

Kiểm tra màng bám, đóng băng và cặn trên mặt ăng-ten theo quy trình tiếp cận an toàn. Vỏ chịu thời tiết hoặc định mức độ ẩm bình thường không chứng minh ăng-ten ướt hay ngập vẫn cho khoảng cách mặt nước hợp lệ.

Trầm tích dưới nước có ảnh hưởng đến Radar không?

Radar thường đo mặt nước chứ không truyền qua nước để đo lòng sông nên trầm tích chìm không phủ trực tiếp lên cảm biến radar.

Các mảnh vụn trôi nổi lớn, thảm thực vật thủy sinh, băng hoặc váng nổi vẫn có thể tạo ra phản xạ bổ sung nếu chúng đi vào chùm tia chính.

Xác minh chuỗi đo lường, không chỉ tần số

Phân công riêng chức năng đo và truyền số liệu từ xa

MV-RD12T cung cấp đầu ra khoảng cách hoặc mức đã chọn; TG511 là RTU thu thập, không phải bộ phận đo khoảng cách radar. Xác nhận phiên bản điện đặt mua, giao thức cảm biến, thang đo đầu vào, thời điểm đo và cách xử lý dữ liệu cần thiết. Truyền thông di động hoặc máy chủ thuộc cấu hình trạm có tài liệu, không thuộc nhãn FMCW.

Để quyết định rộng hơn về tầm đo, nguồn và lắp đặt, dùng hướng dẫn lựa chọn trạm. Lựa chọn cảm biến mực nước radar

Câu hỏi xác minh mức nước FMCW

Q1. Xử lý FMCW có loại bỏ nhu cầu khảo sát mốc tham chiếu không?

Không. Phương pháp đo ước lượng khoảng cách ăng-ten đến mục tiêu, còn mốc trạm xác định cao độ báo cho người dùng. Lưu cả hai và xác minh chuyển đổi qua bộ ghi. Nếu giá đỡ dịch chuyển, kiểm tra lại tham chiếu khảo sát trước khi hiệu chỉnh; ước lượng tần số tốt không sửa được cao độ lắp sai.

Q2. Chỉ số radar ổn định có thiết lập mực nước sông ổn định không?

Không tự nó chứng minh được. Kiểm tra mục tiêu đã chọn là nước, kết cấu cố định hay giá trị cuối giữ lại, rồi so sánh quan sát độc lập đồng thời. Bản ghi cần thời gian đo và trạng thái hợp lệ. Đường cong trơn có thể do làm trơn hoặc dữ liệu giữ lại, nên thử đáp ứng và xử lý số đo không hợp lệ cùng sự phù hợp số học.

Q3. Cần có bằng chứng gì trước khi chấp nhận dữ liệu mực nước từ xa?

So sánh quan sát tham chiếu, khoảng cách tại chỗ, mực nước tính toán và giá trị bộ ghi nhận cùng lúc. Lưu đơn vị, cao độ tham chiếu, cấu hình và điều kiện quá trình. Thử mất và phục hồi truyền thông theo quy trình trạm, gồm cách nhận diện bản ghi trễ hoặc không hợp lệ. Ghi rõ mực nước theo mùa hoặc trạng thái bề mặt chưa thử.

Giữ bản ghi mực nước có thể truy xuất

Bản ghi mức nước FMCW hữu ích liên kết hồi âm nước đã chọn với tham chiếu có hồ sơ và giá trị hệ thống nhận hợp lệ, có dấu thời gian. Giải quyết sai khác tại nơi nó xuất hiện: khoảng cách thô, chuyển đổi cao độ hoặc truyền dữ liệu. Chỉnh độ lệch hiển thị cuối cùng mà thiếu so sánh đó có thể che nguyên nhân gốc.

Giữ khả năng truy xuất thay đổi lắp đặt và cấu hình. Kiểm tra lại tham chiếu sau khi di chuyển hoặc thay giá đỡ, lưu quan sát về bề mặt và mùa liên quan. Ghi rõ dữ liệu thiếu hoặc nghi ngờ thay vì hiển thị giá trị giữ lại như phép đo mới.

Gửi mặt cắt trạm, phạm vi mức nước thiết kế và tham chiếu đã khảo sát, cùng số đo tại chỗ và hệ thống nhận đồng thời nếu đã có sai khác. Nêu đầu ra cảm biến đặt mua, đầu vào bộ ghi, chu kỳ báo cáo và yêu cầu dữ liệu không hợp lệ để đánh giá toàn chuỗi đo. Yêu cầu đánh giá chuỗi tín hiệu mực nước FMCW