Радарни нивомери за течни и насипни материали
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2011
Радарните нивомери са сред високотехнологичните средства за измерване с широк кръг от приложения. Предлагат се както в контактен, така и в безконтактен вариант. Контактните радарни нивомери са предпочитаният вариант предимно за малки пространства, докато при безконтактните отсъствието на контакт между нивомера и контролираната среда, позволява те да бъдат използвани за измерване нивото на агресивни, вискозни, нееднородни течности и гранулирани материали. Твърди се, че за момента контактните радарни нивомери са малко по-широко разпространени, поради възможностите им да измерват нивото на граничната повърхност между две фази като масло и вода, например, но като цяло и двете технологии намират широко приложение. В сравнение с ултразвуковите нивомери, радарните се характеризират с много по-малка чувствителност към температурата и налягането в работния обем и към тяхното изменение. Също така са устойчиви към явления като запрашеност, наличие на изпарения от контролираната повърхност или пяна. Отличават се с висока точност на измерването, която обикновено е до ±1 мм. Основен фактор, ограничаващ тяхното по-широко използване в практиката, се явява все още сравнително високата им цена.
Контактни радарни нивомери
Приемат се за много подходящи за измерване нивото както на насипни, така и на течни среди. Подходящи са за работа при тежки условия с химични среди, при широки вариации на температура и налягане и др. Работата им се базира на измерване не времето, за което сигналът достига до измерваната среда и се връща обратно, или по-точно на рефлектометричния метод с временно разрешение. Процесът включва излъчване на електромагнитни импулси към средата и към дъното на резервоара. Когато импулсът достигне повърхността на измерваната среда, която има по-висока диелектрична проницаемост от намиращия се над нея въздух или газ, част от него се отразява обратно към приемника, който измерва времето необходимо на импулса да достигне до измерваната среда и да се отрази. Това време е пропорционално на разстоянието от излъчвателя до средата. Измерваното ниво се получава като разлика между височината на съда и отчетеното разстояние.
Конструктивно, контактните, наричани още вълноводни нивомери, са изградени от антена и електронен блок. 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 - коаксиален, единичен и двоен. Използването на вълновод подпомага концентрирането на сигнала в малък диаметър по дължината на сондата, като по този начин се предотвратява разсейването на сигнала в съда. Така се постига добра производителност и надеждност. Също така не е необходимо програмиране на уреда с цел игнориране на фалшиви показания от стените на резервоара.
Предимство на контактните нивомери е възможността за отчитане на граничната повърхност между две течности.
Безконтактни радарни нивомери
При радарните безконтактни нивомери определянето на разстоянието до обекта на измерване е на база използването на непрекъснат или импулсно модулиран електромагнитен сигнал с определена честота на вълната (frequency-modulated continuous wave - FMCW). Принципът на измерване се базира на времето необходимо на микровълновия импулс да достигне до повърхността на материала и съответно да се отрази като ехо, което се улавя от приемник. Нивото на материала се изчислява въз основа на разликата между изпратения и получения сигнал.
При използването на непрекъснат сигнал с честотна модулация, към измерваната среда се изпраща непрекъснат микровълнов сигнал, чиято честота се променя по линеен закон между две стойности и едновременно се приема отразеният. Излъчването и приемането на сигнала е от един и същ приемник, който отчита честотната разлика между изпратения и отразения сигнал. Съпоставяйки различните честоти, образувани вследствие на честотната модулация, се получава резултат, пропорционален на разстоянието до повърхността. Постигането на висока точност при измерването е свързано с осигуряването на висока линейност на изменението на честотата и висока температурна стабилност. Сред необходимите условия са и наличието на достатъчно голяма повърхност на измерваната среда, липса на смущения и в съда да няма вътрешни прегради като бъркалки, серпентини и други.
При импулсните радарни нивомери, от антената към средата се изпраща кратък, прекъснат импулсен сигнал, като приемането на отразения е в промеждутъка между изходните импулсни сигнали. Нивото на измерваната среда се определя спрямо времето, за което устройството изпраща един сигнал и получава съответстващия отразен сигнал или ехо. Времевото забавяне между предаването и приемането на импулсите е пропорционално на измерваното ниво.
Сред предимствата на импулсните радарни нивомери са: използването на безконтактен сензор, който е почти независим от промените в температурата, налягането или наличието на газ и пара в съда; точността на измерване не се влияе от промени в плътността, проводимостта и диелектричната константа на измерваната среда, както и от движение на въздуха над нея. При тези нивомери отразените сигнали са дискретни и разделени във времето. Това е и причината импулсните нивомери да се справят по-добре с фалшивите сигнали, които са често срещани при измерването на насипни материали.
Обикновено работната честота
на радарните нивомери, независимо от използвания метод на измерване, варира в диапазона от 5,8 до 26 GHz. Колкото по-висока е честотата, толкова по-тесен е лъчът на сигнала и толкова по-голяма е енергията на излъчване, а следователно и на отразяване. Това е и причината, поради която високочестотните нивомери позволяват измерване на нивото на среди с ниска диелектрична проницаемост, от което следва и ниска отражателна способност. Те също така са много подходящи за измерване нивото в резервоари, в които има разположено оборудване, ограничаващо свободното пространство за работа на нивомера. В същото време високочестотните нивомери са по-чувствителни към запрашеността, изпаренията, вълнението на работната среда и др. В подобни случаи специалистите препоръчват използването на нивомери с честота в границите от 5,8 до 10 GHz. Друга важна характеристика, оказваща влияние върху формирането на сигнала, се явява размерът и типът на антената
Използват няколко вида антени, сред които – параболични, конични или рупорни, прътови, планарни и др. Колкото по-голям е размерът на антената, толкова по-силен и по-тясно насочен е сигналът, който тя излъчва, а в същото време толкова по-добре приема отразения. Сред най-често използваните са рупорните антени, които принципно се използват за съдове с голяма вместимост, позволяват работа с широк спектър среди спрямо диелектрическата им проницаемост и осигуряват диапазон на измерване до 35 - 40 м (в условия на спокойна повърхност). Прътовата антена се използва за малки резервоари с продукти, хигиенно изпълнение или за агресивни химически вещества в съдове с произволна форма. Диапазонът на измерване е до 20 м. Повърхността на антената обикновено е покрита със слой защитна изолация.
Параболичната и планарната антени са предназначени за измерване нивото на всички видове течности и насипни материали. Те се отличават с висока точност и са широко използвани при търговски измервания. За да се предпази от натрупване на прах в бункери за прахообразни материали, антената се покрива с 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 достатъчна степен устойчиви.
Особености при измерването
При извършването на измерване на ниво с помощта на радарни нивомери, за да се получат коректни стойности, е добре да се вземат предвид особеностите на работа на уредите. Например контактните радарни нивомери могат да работят при различни условия, но е добре да се има предвид, че изборът на вълновод е от ключово значение за измерването. Не се препоръчва наличието на контакт между вълновода и метални обекти, освен в случаите, когато се използва коаксиален тип вълновод, тъй като това би повлияло върху сигнала. От своя страна, двойните и коаксиалните вълноводи са податливи на натрупване на отлагания върху тях. При измерването на нивото на замърсени или лепкави течности се препоръча използването на единичен вълновод. В тези случаи е добре уредът да предлага възможност за диагностика на качеството на сигнала, за улеснение на потребителя при установяването на нужда от почистване на вълновода. Принципно, контактните нивомери не се препоръчват за много вискозни флуиди.
При използването на безконтактни радарни нивомери е необходимо внимателно да се направи оценка на условията и инсталационните ограничения. Използването на безконтактен уред изисква много добра видимост към повърхността на течността, която е необходимо да бъде сравнително равна. При измерването диелектричните свойства на измерваната среда също оказват влияние. При ниска диелектрична проницаемост, голяма част от излъчената енергия се губи, което води до отразяването на много малка част от енергията. Голяма част от сигнала се губи и при наличието на турбулентност.
Контактен или безконтактен радарен нивомер?
Всяка една от тези технологии има своите предимства и недостатъци. Добре е изборът да бъде съобразен преди всичко с особеностите на конкретното приложение. Високата чувствителност на безконтактните нивомери към промени в работните условия като например натрупването на продукт, наличието на пяна, турбуленция и кондензация, ограничават използването им в подобни приложения. Също така наличието на пара в съда може да повлияе върху скоростта на сигнала, а преодоляването на този проблем може да доведе до изразходването на повече енергия. Немалък проблем се явяват и отразените, от повърхността на съда сигнали. В подобни случаи използването на контактни радарни нивомери може да се окаже по-доброто решение. Фокусирането на сигнала по протежението на сондата ги превръща в по-ефективния метод за измерване. Използването на безконтактни нивомери при подобни условия е свързано и с необходимостта от повече време за реакция, поради необходимостта от обработване и отстраняване на паразитните сигнали, докато контактните при подобни условия могат да се окажат по-бързи.
От друга страна, при измерване нивото на лесно прилепващи продукти, често срещани в нефтохимични процеси като парафин, например, използването на контактни нивомери с коаксиални или двойни вълноводи, не се препоръчва.
По отношение на турбулентността се счита, че както контактните, така и безконтактните нивомери могат да бъдат приспособени за работа в условия на висока турбулентност.
Вижте още от Измервателна техника
Ключови думи: радарни нивомери, контактни, безконтактни
Новият брой 8/2024
