Радарни нивомери
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2007
История, приложни области, технологии
В нашето технологично съвремие в приложения за измерване на ниво могат да бъдат успешно използвани редица технологии. В това число и редица безконтактни. Понастоящем в сферата на безконтактното измерване на ниво доминират пет основни технологии: лазерни, динамометрични (с тензодатчици), микровълнови (радарни), радиоактивни и ултразвукови. В статията акцентираме върху устройствата, базирани на радарната или микровълнова технология, която през последното десетилетие регистрира възход и разпростиране из приложните територии на капацитивните, за диференциално налягане и ултразвукови трансмитери. Старата слава на радарните нивомери е при високоточни измервания на ниво в танкери, резервоарни стопанства и рафинерии. Пазарните процеси, обаче, свързани с разработване на нови разновидности и масово производство, в голяма степен разшириха достъпа им до много по-широк кръг приложения за измерване на ниво. В основата на това са както някои технологични предимства, така и по-ниските експлоатационни разходи на радарните системи, в сравнение с уреди, базирани на други технологии за измерване.
Назад към историята
Първият радарен патент е регистриран през далечната 1904 година от 23-годишния немски инженер Кристиян Хюлсмайер, за неговата - телемобилоскопия”. Устройството на Хюлсмайер е описано като - апарат за изпращане и приемане на вълни, пригоден да показва или предупреждава за наличието на метално тяло, като кораб или влак, по линията на разпространение на тези вълни”. Успешна демонстрация на телемобилоскопията е направена на Международния конгрес на параходните компании в Ротердам, а също и пред немския флот, но възможностите на измервателното устройство са преценени като твърде ограничени и то не е имало търговски успех.
Първа компанията Saab приспособява радарната технология за измерване на ниво в танкери за суров петрол през 1976 година. В онези дни за инсталиране на устройството е бил необходим кран и цял компютър PDP/11 за анализ на данните от измерването. В продължение на години в измерването на ниво са се използвали поплавъци, бутала и системи за измерване на диференциално налягане, но точността им се е влияела от редица физични параметри на измервания продукт, като температура, налягане и плътност. Това налагало значителна поддръжка, свързана с отстраняване на замърсявания, задръствания и други. Радарът доказва себе си като почти идеален приемник на тези устройства.
В началото в радарните разработки се използва методът с честотно модулирани непрекъснати вълни за радиолокационни авиационни висотомери. В зората на 70-те години на миналия век методът се възприема за приложение при измерване нивата на суровия петрол в цистерни, а по-късно и в големи петролни транспортни танкери. Тези системи използват бързото преобразуване на Фурие, изискващо значителна процесорна мощ и сравнително дълга процедура. Освен това, те налагат компенсиране на температурния дрейф и отопление за поддържането на постоянна температура за електрониката. Този метод е последван от импулсния радар, с който се избягват горните проблеми, а и производството му е по-евтино. Импулсните радари изискват по-малко компоненти и съответно имат теоретично по-добро средно време между отказите. В общия случай методът с честотно модулирани непрекъснати вълни запазва водещата си роля в системите за пренасяне на нефт, докато импулсните радарни системи се използват повече в приложения за управление на процеси.
Области на приложение
Макар да имат контактни или безконтактни опции или разновидности, радарните нивомери най-често са напълно или частично подсигурени по отношение на измервателни проблеми, които се свързват с редица други технологии, сред които зависимост от плътността; от диелектричната константа; чувствителност към прах; необходимост от честа поддръжка; невъзможност за работа във вакуум; чувствителност към налягане, наличие на пяна и изпарения с променлива плътност в атмосферата между средата и датчика; чувствителност към мащабирането и към температурните изменения. Тези им предимства ги правят приложими и в доста агресивни среди, в които други технологии за измерване на ниво нямат шанс. Радарната технология може да се използва за измерване нивата на течни, прахообразни и насипни материали. Процесът се осъществява безконтактно спрямо средата, която може да бъде всякаква - разтопена стомана, корозивни или отровни химикали, или пък хранителни продукти. Точността не зависи от промените в плътността, проводимостта и диелектричната константа на продукта. Поддръжката е малка до нулева. Подмяната на конвенционалните контролно-измервателни уреди се улеснява от двупроводната технология, позволяваща 4-20 mA сигнални проводници да бъдат използвани за захранване на устройството.
За технологията
Радарните нивомери са едни от най-разпространените устройства за измерване на ниво в резервоари. Принципът им на действие се свежда до следното: монтират се върху резервоара и изпращат микровълнови сигнали надолу, към повърхността на материала в резервоара. Сигналите се отразяват като ехо, което се улавя от приемник. Въз основа на разликата между изпратения и получения сигнал, се изчислява нивото на материала в резервоара.
Използват се две техники за модулиране:
Импулсни радарни системи. Импулсните радарни нивомери изпращат кратък, прекъснат импулсен сигнал. Нивото на съдържанието в резервоара се измерва спрямо времето, за което устройството изпраща един сигнал и получава съответстващия отразен сигнал, или ехо. Времевото забавяне между предаването и приемането на импулсите представлява директно измерване нивото на материала.Тъй като електромагнитните вълни се движат със скоростта на светлината, времето трябва се измерва в пикосекунди (една трилионна от секундата). И поради тази причина прецизното измерване на това време може да бъде съпроводено с някои грешки в точността. Освен това, импулсните радарни нивомери имат затруднения и с различаването на множеството отразени или погрешни обратни сигнали, отразени от различни бъркалки и други препятствия в резервоара.
Радарни системи с непрекъснат сигнал с честотна модулация. За разлика от импулсните, радарните системи с непрекъснат сигнал с честотна модулация изпращат непрекъснат сигнал, чиято честота се променя. Вместо да мерят времето на изпращане и връщане на сигнала, приемникът в радарния нивомер отчита честотната разлика между изпратения и отразен сигнал. Съпоставяйки различните честоти, образувани вследствие на честотната модулация, се получава резултат, пропорционален на разстоянието до повърхността.
Микровълновата технология използва при измерване на ниво непрекъснат или импулсно модулиран електромагнитен сигнал с определена честота на вълната. Макар че различните производители рекламират предимствата на единия вид сигнали пред другия и двата генерират подобни резултати по отношение на производителността. Въпреки това е добре да се отбележи, че устройствата с непрекъснат сигнал използват значително повече мощност в работен режим, което трябва да се вземе предвид при изчисляване на общите експлоатационни разходи.
Антени
Антени за радарни нивомери се предлагат в множество различни конфигурации и размери, като правилният им избор играе важна роля за осигуряване в максимална степен на изпращането и отразяването на сигналите от повърхността на измервания материал. Като цяло може да се обобщи, че размерът на антената е обратно пропорционален на честотата - по-малка антена, по-висока честота и обратното.
Видовете антени могат най-общо да се систематизират в няколко основни категории - параболични, конични или рупорни, прътови, планарни и др. За специални приложения се предлагат разновидности и изпълнения. Всеки от типовете излъчва микровълнова енергия със определени характеристики и има своето приложение, което се определя при спецификацията на нивомера. Обикновено антените се произвеждат от некорозиращ материал.
Предимства на технологията
Първото, разбира се, се базира на безконтактния метод за измерване на ниво. Друго важно преимущество, което тези устройства осигуряват, е забележителна точност и надеждност. Сред силните страни на съвременните модели радарни нивомери е наличието на стандартен двужилен кабел при доста от моделите. Те могат да работят като самостоятелни устройства или като част от цялостна система, подсигурени с функционални софтуерни приложения. В основата на това им преимущество принос имат и иновативните комуникационни възможности - отворени и поддържащи различни протоколи. Повечето нови продуктови предложения включват разширена, комбинирана функционалност - извършват множество допълнителни операции. Ниските експлоатационни разходи и надеждността са едно от най-големите достойнства на този тип устройства, тъй като не предполагат необходимост от сериозна поддръжка и прекалибриране.
Някои по-разпространени заблуди за радарните нивомери
Радарните нивомери са обект на някои погрешни схващания, за сметка на това - широко разпространени. Преди всичко, микровълновата технология не е универсална технология за измерване на ниво. Диелектричната константа на материалите, образуването на пяна, разбъркването (турбулентност, смущения), различните прегради и конфигурацията на съда са част от факторите, които трябва да бъдат отчетени, за да се проектира една успешна радарна инсталация.
Второ погрешно схващане е свързано с цената им. Цените днес не са това, което са били преди години. Днес качествените уреди не са финансово недостижими, а възможностите, които предлагат са доста по-усъвършенствани. Обичайно приложение на микровълновите измервания на ниво са такива, при които точността и повторяемостта на измерванията са много важни, но това, разбира се, си има цена. Радарните нивомери за измерване с точност ±0.5 mm струват понякога и пъти повече от тези, осигуряващи точност ±3 mm.
Друго погрешно схващане е свързано с безопасността. Микровълновата технология за измерване на ниво е толкова опасна, колкото микровълновите печки и клетъчните телефони...
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 5/2024
