Характеристики и приложна област на контактни и безконтактни радарни нивомери

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2008

Характеристики и приложна област на контактни и безконтактни радарни нивомериХарактеристики и приложна област на контактни и безконтактни радарни нивомериХарактеристики и приложна област на контактни и безконтактни радарни нивомериХарактеристики и приложна област на контактни и безконтактни радарни нивомери

 

Характеристики и приложна област на контактни и безконтактни радарни нивомери


  Принципът на действие на радарните нивомери се основава на измерване времето на разпространение на излъчен микровълнов сигнал от антената на уреда до повърхността на обекта и обратно. Добре известна е и широката им приложна област. Предимствата им не са едно и две, а цената им не е от най-ниските в областта на средствата за измерване на ниво. Обект на разглеждане в настоящата статия са видовете радарни нивомери, техническите им характеристики и определената от тях приложна област.
Съществуват два основни метода на измерване - импулсен и FMCW. При

импулсния метод
се излъчва кратък микровълнов импулс от антената на радарния нивомер към измерваната среда. При достигане до нея той се отразява и се приема от антена. Времето на закъснение на приетия сигнал спрямо излъчения е пропорционално на измерваното ниво. Следва да се има предвид, че периодът, за който сигнала достига до повърхността (обикновено отдалечена на метри) е от порядъка на няколко наносекунди. Следователно, за да се осигури измерване на толкова кратко време с висока точност, е необходима специална обработка на сигнала.

Вторият метод честотно модулирана непрекъсната вълна FMCW
първоначално е бил използван за военни цели, след което е послужил за база за разработването на първите радарни нивомери. При него антената излъчва микровълнов сигнал, честотата на който се променя непрекъснато по линеен закон, между две стойности f1 и f2 (фиг.1). След като се отрази от измерваната среда, сигналът се приема от антената и подлежи на обработка. Неговата честота се сравнява с честотата на сигнала, излъчен в определения момент от време. Разликата между честотите на излъчения и приетия сигнал f d е пропорционална на разстоянието до измерваната среда l.
За да се постигне измерване с висока точност, е необходимо решаването на редица технически проблеми. На първо място е важно да се осигури висока линейност на изменението на честотата и висока температурна стабилност, тъй като нивомерите работят в широк температурен диапазон. Идеалните условия за измерване включват достатъчно голяма повърхност на измерваната среда, без каквито и да било смущения. Необходимо е, също така, съдът да е чист от вътрешни прегради, бъркалки, серпентини и други препятствия. Реалните условия, обаче, са различни от идеалните и създават проблеми - отразени ехо-сигнали, породени от вълни на повърхността или конструктивни прегради в съда. Тъй като предаването и приемането е едновременно, на входа на приемника се наблюдава съвкупност от сигнали с голяма разлика в амплитудите. За отделяне честотите на ехо-сигналите се използва алгоритъм, основан на метода на бързо преобразуване на Фурие. Изпълнението му изисква сериозни изчислителни ресурси и значително време. След преобразуването се получава честотният спектър на приетия сигнал. Относителните амплитуди са пропорционални на мощността съответния ехо-сигнал, а стойността на честотното отместване е пропорционална на разстоянието от източника на този ехо-сигнал до излъчвателя. За отделянето на полезния ехо- сигнал от останалите паразитни сигнали е необходимо съответстващо програмно осигуряване.
Радарните нивомери се разделят на две основни групи - контактни и безконтактни.

Контактните или вълноводни нивомери
имат антена с дължина, не по-малка от обхвата на измерване. Работата им се базира на рефлектометричния метод с временно разрешение. Той включва излъчването на електромагнитни импулси, които се предават в низходяща посока по вълновода. Когато импулсът достигне повърхността на измерваната среда, която има по-висока диелектрична проницаемост от намиращия се над нея въздух или газ, той се отразява. Измерва се времето на предвижване на импулса до измерваната среда и обратно. Това време е пропорционално на разстоянието от излъчвателя до средата. Измерваното ниво се получава като разлика между височината на съда и отчетеното разстояние.
Използването на нова вълноводна технология (фиг. 2) дава възможност за измерване нивото на няколко повърхности. За отчитане на граничната повърхност между две фази течност, при достигане на излъчения сигнал до най-горната повърхност се отразява ехо-сигнал. Част от сигнала, обаче, продължава да се разпространява по вълновода. След като достигне втората течност, която е с по-висока диелектрична проницаемост от тази над нея, се отразява втори ехо-сигнал. Отчитат се времената, за които сигналът достига до двете повърхности. Периодите са пропорционални на разстоянието до излъчвателя. Използва се технология за автоматично регулиране усилването на нивото на сигнала в зависимост от разстоянието до измерваната повърхност. Тази технология дава възможност за изолиране на слаб сигнал от среда с ниска диелектрична проницаемост, което подобрява отношението сигнал/шум и повишава надеждността на измерване.

Конструкция на вълноводните нивомери
Най-общо са изградени от антена и електронен блок. При някои производители електронният блок е универсален за всички видове антени. Повечето съвременни нивомери разполагат с LCD дисплеи, върху които се визуализира измереното ниво в мерни единици, проценти, като барограф. Дисплеите, също така, се използват при конфигуриране на приборите с помощта на няколко бутона. Съвременна тенденции при конструирането на тези прибори е модулната им концепция, която позволява демонтаж и подмяна на електронния блок, без необходимост от сваляне на антената и нарушаване херметичността на съда.
В зависимост от вида на антената се различават три типа вълноводи (фиг.3) - коаксиален, единичен и двоен. Във функцията на двоен вълновод се използват твърди и гъвкави материали - специален прът и въже. От своя страна, коаксиалните вълноводи могат да се ползват за среда с диелектрична проницаемост Er>1.4, а единичните и сдвоени вълноводи с Er>1,6.

Технически характеристики на контактните нивомери
Измерваните от уредите параметри са ниво, разстояние, обем, гранична повърхност между две фази.
l Диапазонът на измерване е в пряка зависимост от вида на вълновода. Направен преглед на предлаганите на пазара уреди показва, че при използване на коаксиален вълновод измервателният диапазон е до 6 м; при единичен прът - до 4 м; при сдвоен прът - до 4 м; при единично въже - до 35 м; при сдвоено въже - до 35 м. Опционално се предлагат и уреди с диапазон на измерване до 60 м с вълновод единично въже;
l Уредите измерват нивото е в мм, см, м, литри, м3;
l Използва се двупроводна схема на свързване по токов кръг;
l Нивомерите са с изходен сигнал 4-20 mA. Редица модели предлагат и цифрова комуникация по HART протокол с възможност за дистанционно конфигуриране, например;
l Точност на измерване. Немалко прибори на пазара са с точност на измерване нивото на течности ±3 мм при L10 м. При работа с насипни материали, точността на измерване обикновено е ±20 мм; при определяне на гранична повърхност между две фази течност ±10 мм, а ако се измерва минимален слой на горна повърхност – 50 мм.
Би могло да се обобщи, че средната повторяемост на измерените резултати за радарни нивомери е ±1 мм, а разрешаващата способност ±1 мм.
l Работни условия. Обикновено радарните нивомери са разработени за температура на околната среда -40 ё 80 °C; температура на съхранение -40 ё 85 °C; работна температура -40 ё 200 °C. Някои производители предлагат нивомери с разширен температурен обхват от -200 до 400 °C;
Работното налягане на уредите средно е от -1 ё 40 bar. Разработени са и нивомери за високо налягане (в диапазона от -1 ё 400 bar);
l Като материал за антените се използва неръждаема стомана или Hastelloy;
l Технологическо присъединяване е резбово или фланцово;
l Уредите се захранват с напрежение 14 ё 36 VDC;
l Предлагат се уреди със степен на защита IP 66/67 и с взривозащита в съответствие с EEx d или EEx ia.

Измерват течности, суспензии и насипни материали
Радарните вълноводни нивомери се използват за непрекъснато контактно измерване на нивото на течности, суспензии, втечнени газове и насипни материали (от прахообразни до едрогранулирани) в съдове с производна форма или в измервателни колонки.
Работят в автономен режим на измерване или в системи за автоматичен контрол, регулиране и управление на технологичните процеси във всички отрасли на промишлеността. Допълнително датчиците могат да се използват за изчисляване обема или теглото на продукта в съда.

Точността не се влияе от прах, пара и турбулентност
Радарните контактни нивомери измерват реалното ниво. Резултатът от измерването не се влияе от промени в характеристиките на средата, като диелектрическа проницаемост, налягане, плътност, вискозитет. Точността на уредите не се влияе от наличието на вълнения върху повърхността на продукта, пяна или отлагания по антената. Нечувствителни са към прах, пара, турбулентност и “препятствия” вътре в съда.
Методът на измерване позволява откриването и филтрирането на паразитните ехо-сигнали. Уредите се отличават с лесно конфигуриране. Имат способността да измерват много тънък слой на разделяне на две фази, но както бе посочено, не по-малък от 50 мм. Друго тяхно предимство е лесната замяна на датчиците, като е възможно използването на базовата конструкция за монтаж на поплавков нивомер.

Безконтактните радарни нивомери
в конструктивно отношение се състоят от електронен блок и антена, която е с различна форма, в зависимост от приложението.
Работата на безконтактните нивомери се базира на и двата метода на измерване - импулсен (фиг. 4) и FMCW (фиг. 5).
Антената е един от най-важните елементи на нивомера и това е напълно обяснимо, като се има предвид, че единствено тя е в контакт с процеса. Именно от антената зависи каква част от излъчения сигнал ще достигне до повърхността на измерваната среда, както и каква част от отразения сигнал ще бъде приета и подадена на входа на електронния блок за последваща обработка.
В безконтактните радарни нивомери се използват

пет типа антени
показани на фиг. 6.
Рупорната антена е предназначена за широк обхват от приложения. Препоръчва се за монтаж в съдове със свободно разпространение на сигнала, както и в успокоителни тръби и изнесени нивомерни колонки.
Антената с уплътнение към процеса е предназначена за съдове, хигиенно изпълнение или агресивни химически вещества. Тя е защитена от атмосферата на съда с тефлонова или керамична леща. Външната част на антената се изработва от подходящ материал за използване в санитарни условия или за работа с агресивни среди.
Прътовата антена се използва за малки резервоари с продукти, хигиенно изпълнение или за агресивни химически вещества в съдове с произволна форма.
Параболичната и планарната антени са предназначени за измерване нивото на всички видове течности и насипни материали. За да се предпази от натрупване на прах в бункери за прахообразни материали, антената се предпазва посредством еластична тефлонова обвивка. Използването на параболичната антена осигурява най-малък ъгъл на излъчения сигнал в сравнение с други видове антени.
Тръбната антена се използва в случаите, когато измерването с рупорна или прътова антени е трудно или невъзможно, например при наличие на пяна, силно изпарение или висока турбулентност.
При измерване нивото на запълване на затворени съдове, което е най-честото приложение на радарните нивомери, антената се разполага вътре в съда. Тя е подложена на неблагоприятното въздействие на налягането, температурата, агресивните изпарения и прахта. По тази причина конструкцията на антената и материала, от който е изработена, следва да са в достатъчно степен устойчиви.
Работна честота на безконтактните нивомери
Радарните безконтактни нивомери работят с честота от 5,8 до 26 GHz. За момента не съществува универсална оптимална честота, която би могла да се използва за всички приложения. При високочестотните нивомери антената е с по-малки размери и осигурява по- тясна диаграма на излъчване. Това позволява да се ползват малки отвори за монтиране на прибора. Тесният лъч на сигнала е от определящо значение за получаване на ехо-сигнал с най-малък брой паразитни отражения от различни вътрешни компоненти на съда. Колкото по-висока е честотата, толкова по-дребни детайли от конструкцията отразяват паразитни ехо-сигнали. По тази причина високочестотните нивомери са по-чувствителни към неравности по измерваната повърхност, които предизвикват повишено разсейване на излъчвания сигнал, а от там и понижаване нивото на полезния ехо-сигнал. Затова нискочестотните нивомери се препоръчват за измерване нивото на течности, за повърхността на които са характерни вълни, както и за насипни материали. Високочестотните нивомери са по-чувствителни към кондензат и натрупване на материал по антената. Тези фактори отслабват излъчвания сигнал. Нискочестотните нивомери са нечувствителни към кондензат и устойчиви към натрупвания, поради което се използват в приложения, в които има изпарения, както и при висока запрашеност. Пяната също е препятствие за високочестотните сигнали.
Водеща в областта компания е разработила радарен нивомер с работна честота 90 GHz. Благодарение на свръх-високата честота, прибора притежава висока чувствителност и се използва за измерване нивата на продукти с ниска диелектрическа проницаемост. Наред с това, нивомерът се отличава с много малки размери и не е необходимо антената да се монтира вътре в съда. Това е така, защото тя е с много малки размери и е в общ корпус с електронния блок.

Съвременни технологии на електронна обработка
Различните условия на технологичния процес, сред които атмосфера в резервоара, наличие на пяна, турбулентност, както и на вещества с ниска диелектрическа проницаемост, могат да понижат отразения сигнал така, че датчикът да загуби следата на повърхността. По тази причина някои производители използват нови технологии на електронна обработка. Сред тях е т.нар. технология на двойния порт, при която приборът има отделни портове за излъчване и за приемане на отразения сигнал. По този начин се намалява шумът и вероятността от загуба на сигнала.
За разлика от стандартните радарни нивомери, които използват линейна поляризация, приборите, работещи с кръгова поляризация, потискат сигналите с четно число на отражение. По този начин се намалява количеството на паразитните ехо сигнали от стените или конструкцията на резервоара и се повишава надеждността на измерване. Динамичната оптимизация на обхвата осигурява автоматична промяна на усилването на сигнала в зависимост от разстоянието до повърхността.

  • Технически характеристики на безконтактните нивомери
  • Измерваните с безконтактните радарни нивомери параметри са ниво, разстояние, обем и коефициент на отражение от повърхността на продукта.
  • Диапазонът им на измерване при използване на рупорна антена е средно до 50 м; при прътова - до 35 м; при планарна - до 38 м, а при параболична - до 40 м;
  • Единиците на изходния сигнал са мм, см, м, литри, м3;
  • Използва се двупроводна схема на свързване по токов кръг;
  • Изходният сигнал традиционно е 4-20 mA;
  • Предлагат се прибори, поддържащи цифрова комуникация по HART протокол, някои и с възможност за дистанционно конфигуриране;
  • Точността на измерване на приборите обикновено е в диапазона от ±1 мм до ±10 мм; повторяемостта ±1 мм; разрешаващата способност ±1 мм, а работната честота от 5,8 до 26 GHz;
  • Ъгълът на разпространение на излъчвания сигнал е от 7 до 30°;
  • Принципните работни условия на безконтактните радарни нивомери включват - температура на околната среда -40ё80 °C; температура на съхранение -40ё85 °C; работна температура -40ё200 °C. Някои производители предлагат нивомери с разширен температурен обхват (от 80ё400 °C).
  • Обобщено, работното налягане на приборите е от -1ё40 bar, като някои производители предлагат нивомери високо налягане с обхват от -1ё64 bar;
  • Като материал на антените се използва неръждаема стомана, Hastelloy и тефлон;
  • Технологичното присъединяване на приборите е резбово или фланцово. Обикновено приборите са с електрическо захранване (14 ё 36V DC); степен на защита IP 66/67. Предлагат се модели с EEx d или EEx ia.

Имат широко индустриално приложение
Радарните безконтактни нивомери се използват за непрекъснато измерване на нивото на течности, суспензии, втечнени газове, насипни материали, в съдове с произволна форма или в измервателни колонки.
Намират приложение във всички области на промишлеността, в складови зони и резервоари, в широк обхват от приложения. Работят в автономен режим на измерване или като част от системи за автоматичен контрол, регулиране и управление на технологичните процеси. Като допълнителна възможност датчиците могат да се използват за изчисляване на обема или теглото на продукта в съда.
Отличават се с множество предимства
Безконтактните радарни нивомери предлагат широк избор на присъединяване, разнообразие от типоразмери, материали и дизайн на антените, което е определящо за приложението им във всеки конкретен случай.
Тези прибори измерват реалното ниво. Резултатите от измерването не се влияят от променящите се характеристики на средата, като диелектрическа проницаемост, налягане, плътност и вискозитет. Могат да се използват в съдове със сложна форма. Сред предимствата им е висока чувствителност при измерване нивото на среди с малка диелектрическа проницаемост. Точността не се влияе от наличието на вълнения на повърхността на продукта, пяна или отлагания по антената. Нечувствителни са към прах, пара и турбулентност.
Възможностите на съвременните прибори позволяват откриване и филтриране на паразитните ехо-сигнали, както и лесно конфигуриране.
Радарните безконтактни нивомери позволяват лесна смяна на датчиците, като е възможно конструкцията да се използва за монтаж на поплавков нивомер. Друга тяхна отличителна характеристика е лесното обслужване.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top