Радарные уровнемеры

Типы приборов.

Частотно-модулированной поднесущей (FMCW), импульсный.

Область применения.

Бесконтактное измерение уровня в резервуарах. Два основных типа датчиков резервуарного парка для контроля наличия или наполнения, опорожнения и контроля уровня в емкостях и резервуарах. Помехи измерению могут быть вызваны мешалками, актуаторами, другими металлическими поверхностями, пеной, пленкой, конденсатом и брызгами во время наполнения. Некоторые случаи для сыпучих материалов зависят от типа прибора и частоты излучения.

Типы антенн.

Параболическая, рупор, выносной рупор, рупор с защитным кожухом, диэлектрический стержень, планарная.

Давление процесса.

До 2,5 МПа для интегральных антенн, до 0,3 МПа для антенн с защитным кожухом.

Температура процесса.

До +230 °C для стандартного применения, высокотемпературная версии до +400 °C.

Материалы смачиваемых частей.

Для интегральных антенн 316 SS, алюминий или Hastelloy® с TFL покрытием, для антенн с защитным кожухом различные пластики, для диэлектрического антенного стержня, в основном, TFE.

Диапазон измерений.

До 200 метров, для антенн большого диаметра 20, 30, или 45 сантиметров, до 15 метров, для антенн малого диаметра 2, 3, 4 или 15 сантиметров, использующиеся в емкостях без препятствий, и в случае использования успокоительного колодца, до 35 метров.

Погрешность.

±1 до ±3 миллиметров для сигнализаторов уровня резервуарного парка, от ±25 миллиметров до ±0.5% полной шкалы преобразователей уровня.

Допустимая пленка над измеряемым веществом.

До 2,5 миллиметра пленки из непроводящих электрический ток нефти, смолы или воска, до 0,3 миллиметра, если пленка электропроводима или на водной основе.

Допустимая турбулентность измеряемого вещества.

Волны размером до 1 метра. FMCW радарный уровнемер лучше работает с турбулентностью, чем импульсный радар.

Допустимая пена над измеряемым веществом.

До 1,5…2,0 метров для непроводимых жидкостей, до 15…30 сантиметров, для проводимых жидкостей в зависимости от плотности, пена является незначительным источником ошибки.

Испарения или брызги измеряемого вещества.

Минимальное влияние в случае легких испарений, плотная же завеса брызг не пропускает луч. Если брызги летят горизонтально, как результат контакта с неполностью покрытой жидкостью мешалкой или бокового наполнения, они могут быть ошибочно распознаны как уровень измеряемой среды.

Цена.

$900 до $5000 для сигнализаторов (датчиков) уровня, $1500 до $2500 для уровнемеров (преобразователей уровня).

Введение

Радарные уровнемеры и радарные датчики уровня, сигнализаторы используют электромагнитные волны, в микроволновых K- и X-диапазонах (6…28 ГГц). Применяются в основном для измерения уровня жидкостей, несмотря на это несколько компаний сообщают о успехах при измерении твердых и сыпучих веществ.

Излучение происходит на малых уровнях мощности, обычно менее 0,015 мВт/см, поскольку для измерения уровня в промышленности обычно требуется диапазон менее 30 метров, что является небольшим расстоянием для радарной техники. Для такой мощности излучения нет ограничений для здоровья персонала, безопасности, лицензированию или загрязнению продукта; для излучения и обнаружения микроволн используются полупроводниковые транзисторы или диоды. Радарные уровнемеры питаются в основном от внешней сети, ввиду больших энергопотребления для излучения и приема электромагнитных волн, так же есть достаточное количество приборов, питающихся от интерфейса токовой петли.

Радарный уровнемер устанавливается в верхней части емкости и излучатель уровнемера направляется вниз, перпендикулярно поверхности жидкости. Такое размещение позволяет получить отражение от поверхности жидкости для приема электромагнитной волны непосредственно приемником прибора. На рис. 1 показаны радарные уровнемеры с антеннами различных типов с частотно-модулированной поднесущей (FMCW), на рис. 2 показаны типы исполнений импульсных радарных уровнемеров.

Принцип действия

Существуют два основных принципа действия радарных уровнемеров и датчиков уровня. Большинство используемых ранее, используют принцип частотно-модулированной поднесущей (FMCW). Современная тенденция к использованию импульсных преобразователей и сигнализаторов позволяет создавать экономичные с точки зрения затрат энергии приборы.

Оба принципа, FMCW и импульсный, основаны на измерении времени распространения электромагнитной волны и отражения ее для получения приемником радарного уровнемера. В методе FMCW используется изменение частоты поднесущей сигнала, а в импульсном методе время за которое сигнал возвратится в приемник. Импульсный метод аналогичен принципу действия ультразвуковых уровнемеров, однако радарный уровнемер использует частоту электромагнитных волн в диапазоне от 6 до 28 ГГц, в отличие от ультразвуковых акустических частот.

Метод частотно-модулированной поднесущей (FMCW)

Время распространения отраженного сигнала измеряется с помощью генератора, излучающего сигнал с линейно изменяющейся частотой фиксированной ширины и времени изменения, как показано на рис. 3. Приемник радарного уровнемера одновременно сравнивает частоты излученного и принятого сигнала, который является частью ранее излученного частотно изменяющегося сигнала. Результирующим сигналом является разность частот этих двух сигналов, пропорциональный расстоянию от уровнемера до зеркала жидкости, частотно-модулированный (FM) сигнал, колеблющийся от 0 до 200 Гц, при изменении расстояния от 0 до 60 метров.

На рис. 4 где указана осцилограмма для различных расстояний. Преимуществом этого метода измерений состоит в том что информация о расстоянии преобразуется в частотную область вместо амплитудной или временной, позволяя более точное преобразование. Аналогично использованию в радиодиапазоне частотной модуляции (FM) вместо амплитудной (AM). Большинство резервуаров имеют шумы и помехи в амплитудной области, используя частотную область, можно получить более высокую точность измерений.

Импульсный метод

Излучатель посылает микроволновой импульс и принимает отраженный от поверхности измеряемой жидкости электромагнитный сигнал. Время передачи измеряется и используется для определения расстояния до измеряемой поверхности. Длина пройденного импульсом пути используется для определения уровня жидкости.

Величина отраженного и принятого электромагнитного импульса зависит от отражающей способности измеряемого материала, а так же потерь сигнала от пены, движения поверхности жидкости и других отражений. Отражающая способность может быть определена экспериментальным способом проводя исследование материала на электрическую проводимость и диэлектрическую константу. Обычно электропроводящие материалы, такие как вода, и другие водосодержащие жидкости (кислоты, сильные щелочи и т.д.) могут быть измерены, принимая во внимание относительную диэлектрическую проницаемость. Диэлектрические материалы имеют отражательную способность оцениваемую только по диэлектрической проницаемости.

Чтобы производить точное измерение расстояния, используя время распространения электромагнитных волн, скорость волны должна быть постоянной или иметь возможность быть измеренной. Скорость распространения микроволн равна скорости света деленной на квадратный корень из диэлектрической проницаемости среды распространения. К счастью, диэлектрическая проницаемость различных газов при различных давлениях и температурах не на много отличаются от воздуха или вакуума, таким образом ошибка измерения при измерении параметров в резервуаре невелика. Радиоволны подобны лазерному излучению и сильно отличаются от ультразвуковых волн, с их зависимостью от смесей газов и температур, см. Таблица 1.

В ультразвуковых уровнемерах ошибка, вызванная изменением скорости распространения акустических волн может быть уменьшена калибровкой для компенсации влажности, температуры или компенсацией, использующей образцовую мишень. Мишень в таком случае располагают вблизи верхней части резервуара, где испарения малы и низкий градиент концентрации испарений (как это происходит вблизи поверхности измеряемой жидкости). Присутствие неметаллической пены, испарений, брызг и пыли на волновом пути мало влияет на скорость микроволн, поскольку диэлектрическая проницаемость этих препятствий мало отличается от диэлектрической проницаемости воздуха.

Как правило, минимальная диэлектрическая проницаемость измеряемой жидкости для радарных уровнемеров FMCW меньше, чем для импульсных уровнемеров. Одно из преимуществ уровнемеров, использующих частотно-модулированную поднесущую, для веществ с низкой диэлектрической проницаемостью, есть то что на уровнях, близких к нулевым, отражение от измеряемой жидкости становится меньше, чем от дна или боковых стенок резервуара, в случае наклонных стенок. Плавающий ноль и металлические мишени позволяют преодолеть это затруднение.

Точность и факторы разрешения

FMCW радарные уровнемеры применялись ранее в большинстве случаев резервуарного парка из-за присущей методу измерения точности. Высокая точность прибора следует из высокой точности прецензионного генератора, и соответственно, высокой стоимости прибора. FMCW радарные уровнемеры применяются при определении уровня в резервуарных парках хранения. Импульсные радарные уровнемеры наиболее эффективны для резервуаров технологических процессов и реакторов, и если нет ограничений по точности и размеру антенны, применение импульсных радарных уровнемеров обосновано. Немаловажно, что стоимость импульсных радарных уровнемеров меньше, чем FMCW.

Особенности применения радарных бесконтактных уровнемеров

С начала 1990-х годов радарные уровнемеры и датчики уровня стали надежными и проверенными инструментами измерений. Они заменили многие применения, ранее использующие ультразвук и радиоактивные гамма системы. Однако радарные уровнемеры не панацея измерений. При этом способе измерений присутствует такой фактор, как помехи. И хотя наличие летучих испарений и пена в емкости имеет меньшее влияние, чем на ультразвуковые уровнемеры, сочетание пены и вещества с низкой диэлектрической постоянной может исказить показания радарного уровнемера или сделать прием отраженного сигнала невозможным. В реакторах, покрытых стеклом, возникает проблемная настройка уровнемера, из-за того что стекло имеет склонность проводить микроволны. В других реакторах клапаны резервуара выступают как волноводы, и специальные держатели или антенны необходимы для устранения этого эффекта, когда клапаны не полностью перпендикулярны к днищу резервуара. Наличие мешалок и других внутренних структур следует учитывать, так как они являются источниками паразитных отражений. Радарные уровнемеры составляют прекрасную альтернативу пузырьковым, ультразвуковым и радиоактивным гамма уровнемерам в применениях средней сложности, таких как концентрированные дымящиеся кислоты, асфальт, жидкие газы (LNG), смолы, тяжелые углеводороды, и многие другие применения для измерения уровня в резервуарных парках, реакторов технологических процессов.