Guía de selección de medidores de nivel por radar para minería

1. Principios técnicos básicos y tipos de transmisores de nivel por radar para minería

En ingeniería minera, plantas de preparación de carbón, depósitos de carbón de centrales eléctricas e instalaciones de almacenamiento de material metalúrgico, el monitoreo continuo del nivel de material es fundamental para la alimentación automatizada y la prevención del sobrellenado de depósitos y desbordes de material. La medición de nivel en minería debe operar en condiciones difíciles que involucran altas concentraciones de polvo, alta humedad, ángulo de reposo del material y fuertes impactos mecánicos. Los transmisores de nivel de radar industrial METRAVON utilizan principalmente los siguientes dos mecanismos de medición física:

1.1 Radar de onda guiada por reflectometría en el dominio del tiempo (TDR/GWR)

Los transmisores de nivel por radar de onda guiada funcionan según el principio de reflectometría en el dominio del tiempo (TDR). Los pulsos electromagnéticos de alta frecuencia viajan a lo largo de un cable de acero guiado o una varilla sonda. Cuando un pulso electromagnético alcanza la superficie del material medido, como polvo de carbón o partículas minerales, parte de la energía del pulso se refleja debido al cambio repentino en la constante dieléctrica (Constante Dieléctrica, εr) del medio. La energía reflejada forma un eco y regresa a lo largo del elemento guiado hasta el receptor.

La distancia D entre el transmisor y la superficie del material es proporcional al tiempo de propagación de la onda electromagnética Δt y se calcula mediante la siguiente fórmula:

D = (c × Δt) / 2

donde c es la velocidad de la luz, aproximadamente 3 × 10⁸m/s. Debido a que el radar de onda guiada utiliza un conductor para guiar la energía electromagnética, la atenuación de la señal es muy baja, lo que lo hace particularmente adecuado para recipientes de almacenamiento mineros que contienen materiales con constantes dieléctricas relativamente bajas o para aplicaciones con espacio de medición extremadamente limitado.

Proceso de medición por radar de onda guiada (TDR)

Paso 1 – Generación de impulsos:El transmisor genera un pulso electromagnético de alta frecuencia.

Paso 2 – Propagación guiada:El pulso viaja a lo largo del cable de acero o la varilla sonda hacia la superficie del material.

Paso 3 – Reflexión de la superficie:Cuando el pulso alcanza la superficie del material, el cambio en la constante dieléctrica εr hace que parte de la energía electromagnética se refleje.

Paso 4 – Retorno del eco:El impulso reflejado regresa a lo largo del mismo elemento guiado hasta la electrónica receptora.

Paso 5 – Cálculo de la distancia:El instrumento mide la diferencia de tiempo de propagación Δt y calcula la distancia del material utilizando

D = (c × Δt) / 2.

1.2 Radar de onda continua de frecuencia modulada (FMCW)

Los transmisores de nivel de radar de onda continua de frecuencia modulada (FMCW), como el radar de alta frecuencia METRAVON de 80 GHz, utilizan tecnología de medición sin contacto. La antena del radar transmite una señal de microondas cuya frecuencia aumenta linealmente con el tiempo mediante una modulación de frecuencia lineal.

Una vez que la señal de microondas llega a la superficie del material, es reflejada y recibida por la antena receptora. Debido a que la frecuencia de la señal transmitida cambia continuamente, existe una diferencia de frecuencia Δf entre la frecuencia del eco recibido y la frecuencia transmitida actualmente. Esta diferencia de frecuencia es proporcional a la distancia de medición D:

D = (c × Δf) / (2 × K)

donde K es la tasa de barrido de frecuencia. Combinada con la frecuencia operativa extremadamente alta de 80 GHz, la tecnología FMCW proporciona una relación señal-ruido muy alta y una sólida capacidad de medición, lo que la convierte en la tecnología de medición sin contacto preferida para aplicaciones de minería con alto contenido de polvo y depósitos de carbón.

Proceso de medición por radar FMCW

Paso 1 – Barrido de frecuencia:El oscilador del radar genera una señal de microondas de 80 GHz cuya frecuencia aumenta linealmente con el tiempo.

Paso 2 – Transmisión:La antena transmite la señal de microondas de frecuencia modulada hacia la superficie del material a granel.

Paso 3 – Reflexión:La señal de microondas se refleja desde la superficie del material, incluidas las superficies inclinadas formadas por el ángulo de reposo del material.

Paso 4 – Recepción de eco:La antena recibe la señal de microondas reflejada.

Paso 5 – Cálculo de la distancia:La electrónica calcula la diferencia de frecuencia Δf entre las señales transmitidas y recibidas y determina la distancia usandoD = (c × Δf) / (2 × K).

2. Criterios de compra clave y parámetros de selección para transmisores de nivel por radar para minería

Para condiciones operativas extremas en operaciones mineras subterráneas y de superficie, el personal de adquisiciones e ingeniería debe centrarse en los siguientes cinco parámetros técnicos clave:

3. Estrategias de selección de transmisores de nivel por radar para condiciones mineras complejas

Proceso de selección del transmisor de nivel de radar para minería

Paso 1: identificar el entorno de almacenamiento o proceso:Determine si la aplicación es un depósito de carbón subterráneo con alto contenido de polvo, un silo de carbón crudo, una tolva de alimentación confinada, un tanque de aguas residuales o un tanque de lodo.

Paso 2: Medición sin contacto y con mucho polvo:Para depósitos de carbón, silos de ganga y aplicaciones que involucran mucho polvo y ángulo de reposo del material, seleccione unTransmisor de nivel por radar FMCW de 80 GHz, como el METRAVON FMCW-80M.

Paso 3: espacio restringido o constante dieléctrica baja:Para espacios confinados o medios con constantes dieléctricas bajas, seleccione unradar de onda guiada de alta resistencia, como el METRAVON GWR-MINE.

Paso 4 – Aplicaciones de lodos o aguas residuales corrosivas:Para tanques estrechos de aguas residuales o lodos que requieren medición guiada y resistencia a la corrosión, considere unTransmisor de nivel por radar de onda guiada resistente a la corrosión, como el METRAVON GWR-70.

Transmisor de nivel por radar sin contacto FMCW de 3,1 80 GHz: principales depósitos de carbón y silos de ganga

Condiciones de funcionamiento:Gran altura de caída de material, concentración de polvo extremadamente alta y superficies de material inclinadas debido al ángulo de reposo.

Requisitos de selección:Se debe seleccionar un radar FMCW de 80 GHz con un ángulo de haz de transmisión de ≤3°. El haz estrecho ayuda a penetrar la capa de polvo y enfocar la señal hacia el centro de la pila de material, reduciendo los ecos falsos de las paredes rugosas del silo y las superficies estructurales internas. También se debe seleccionar una conexión de purga de aire neumática para que el aire comprimido pueda limpiar periódicamente la superficie de la antena.

3.2 Transmisor de nivel por radar de onda guiada (GWR): tolvas de mezcla de carbón y tolvas de alimentación estrechas en plantas de preparación de carbón

Condiciones de funcionamiento:Espacio de instalación limitado, vigas de refuerzo internas y dispositivos de alimentación, y grandes variaciones en la constante dieléctrica del material.

Requisitos de selección:Seleccione un radar de onda guiada equipado con un cable de acero de alta resistencia a la tracción de no menos de 20 kN. El cable de acero guiado confina la energía electromagnética alrededor del cable y reduce la interferencia de las estructuras internas de acero. Dependiendo del diseño de la aplicación, la sección inferior del cable puede requerir un peso o una disposición de sujeción adecuada para mantener la posición del cable y reducir el riesgo de daño mecánico causado por el colapso del material.

4. Instalación de ingeniería y requisitos a prueba de explosiones para transmisores de nivel por radar de onda guiada

En proyectos de ingeniería de minería y lavado de carbón, la instalación estandarizada es fundamental para garantizar el funcionamiento estable de los instrumentos a largo plazo. Los siguientes son procedimientos estándar de construcción e instalación para transmisores de nivel por radar de onda guiada:

4.1 Posición de instalación y principios para evitar obstáculos

Evite la entrada de material:La posición de instalación debe evitar áreas sujetas a impacto directo del material para evitar que grandes trozos de mineral u otro material golpeen el cable de acero o la antena. En aplicaciones de tanques de tratamiento de aguas residuales y granulación de polipropileno/polietileno, el instrumento puede instalarse cerca del centro. Para tanques de drenaje de agua de lluvia al aire libre, la instalación puede realizarse a aproximadamente 400 mm de la pared del tanque, eliminando los obstáculos cercanos.

Caja de aislamiento y prevención de contacto con la pared:Instale una brida de 2 pulgadas y 150 lb en la conexión roscada del transmisor. Si se utiliza una caja aislante, haga una abertura circular con un diámetro de D = 50 mm en la parte inferior. Primero guíe el cable de acero a través del centro de la abertura y luego asegure la brida dentro de la caja de aislamiento. Asegúrese de que el cable de acero no toque la pared metálica de la caja de aislamiento para evitar interferencias de capacitancia parásita.

4.2 Requisitos de pruebas de aislamiento y a prueba de explosiones eléctricas

Proceso de instalación eléctrica

Paso 1 – Recinto protector:Pase el cable del instrumento desde la carcasa protectora o aislante.

Paso 2 – Conducto de cables:Utilice conducto de acero galvanizado DN20 con conexiones roscadas seguras.

Paso 3 – Cable intrínsecamente seguro:Pase el cable de señal retardante de llama intrínsecamente seguro a través del conducto hacia el instrumento.

Paso 4 – Prensaestopas y bucle de goteo:Apriete el prensaestopas y cree un bucle de goteo hacia abajo antes de que el cable entre en la carcasa para evitar que la condensación entre en el instrumento.

Paso 5: unión y conexión a tierra a prueba de explosiones:Complete la conexión de acuerdo con los requisitos de cableado a prueba de explosiones y conecte el blindaje del cable al punto de conexión a tierra designado utilizando una conexión a tierra de un solo punto.

Aislamiento de energía:Antes de desmontar o instalar el instrumento, se debe desconectar la fuente de alimentación en el gabinete de control y se deben desconectar los cables de señal positivo y negativo.

Instalación de cables:Utilice un cable retardante de llama intrínsecamente seguro de 1 mm × 2 mm × 1,5 mm. El conducto debe ser tubo de acero galvanizado DN20 con conexiones roscadas bien apretadas.

Prueba de aislamiento:Una vez completada la instalación del cable, realice una prueba de aislamiento con un megaóhmetro. Establezca el voltaje de prueba en 500 V CC y pruebe continuamente durante 60 segundos. La resistencia de aislamiento debe ser ≥20 MΩ.

Protección contra el agua y la humedad (bucle de goteo):El prensaestopas del cable del instrumento debe estar bien apretado. En la entrada del cable de señal, doble el cable hacia abajo y forme un bucle de goteo circular con un diámetro de aproximadamente D = 100 mm para evitar que el condensado y el vapor de agua se desplacen a lo largo del cable hacia la carcasa del instrumento.

Requisitos de conexión a tierra:La capa de blindaje del cable blindado debe estar conectada a tierra en un único punto al terminal de tierra interno dedicado de la carcasa del transmisor de nivel. La energía solo se puede restablecer después de confirmar que no hay falla a tierra o cortocircuito involuntario.

4.3 Configuración de límite de nivel alto y zona ciega

Cuando se utiliza un transmisor de nivel por radar, el nivel máximo de material nunca debe entrar en la zona ciega de medición.

Configuración de límite de alto nivel:Al configurar la alarma de alto nivel, se debe reservar suficiente espacio para la zona ciega superior inherente del instrumento. Un rango de referencia típico es de aproximadamente 0,1 m a 0,3 m para radar sin contacto y aproximadamente de 0,2 m a 0,5 m para radar de onda guiada, según el diseño específico del instrumento.

Lógica de prevención de sobrellenado:Si el nivel máximo de material alcanza la zona ciega, fuertes reflejos cerca de la antena pueden hacer que la salida se bloquee en el nivel máximo o activar una alarma de "Pérdida de eco", lo que puede resultar en acciones incorrectas del sistema de control.

FAQ

P1: ¿Por qué los transmisores de nivel por radar a prueba de explosiones de METRAVON se utilizan ampliamente en las industrias minera y metalúrgica?

A:Las razones principales son su diseño confiable de protección contra explosiones y su fuerte resistencia a las interferencias ambientales. Los transmisores de nivel por radar a prueba de explosiones de METRAVON están diseñados para aplicaciones exigentes en áreas peligrosas, con configuraciones de protección intrínsecamente seguras y a prueba de llamas disponibles según los requisitos del modelo. Al mismo tiempo, la medición por microondas de alta frecuencia de 80 GHz proporciona una fuerte resistencia a la interferencia de altas concentraciones de polvo, vapor de agua, cambios de presión ambiental y variaciones significativas de temperatura, ofreciendo una estabilidad de medición mejorada en comparación con las tecnologías de radar ultrasónico y de baja frecuencia convencionales en muchas aplicaciones mineras.

P2: ¿Qué ventajas ofrece el radar de onda continua de frecuencia modulada (FMCW) sobre el radar de pulsos en la medición de depósitos de carbón?

A:El radar FMCW transmite señales continuamente durante todo el ciclo de barrido de frecuencia y puede proporcionar una alta relación señal-ruido. El carbón y materiales a granel similares suelen tener superficies sueltas e inclinadas y pueden atenuar fuertemente los reflejos de microondas. El procesamiento de señales FMCW puede ayudar a identificar ecos de materiales débiles pero válidos y reducir la probabilidad de "pérdida de eco" en condiciones de medición difíciles.

P3: ¿Las altas concentraciones de vapor de agua y condensación subterránea afectarán la precisión de la medición del nivel del radar?

A:El propio vapor de agua generalmente tiene un efecto limitado sobre la velocidad de propagación de las microondas. Sin embargo, si el vapor se condensa en gotas de agua en la superficie de la antena del radar, la energía de microondas puede atenuarse. Los transmisores de nivel de radar METRAVON pueden utilizar antenas de lentes de PTFE elevadas con características hidrofóbicas. Combinado con un conjunto de purga de aire neumático a prueba de explosiones, cuando corresponda, este diseño ayuda a reducir los efectos de la condensación en la medición.

P4: ¿Cómo se debe manejar la desviación de la onda reflejada causada por el ángulo de reposo del material en la medición de sólidos a granel en minería?

A:Una superficie de material inclinada puede reflejar parte de la energía de microondas hacia la pared del silo en lugar de regresar hacia la antena. Las soluciones recomendadas incluyen:

Utilice un transmisor de radar METRAVON de 80 GHz con un ángulo de haz estrecho de aproximadamente 3° para reducir la dispersión;

Utilice una brida de orientación ajustable durante la instalación para ajustar el ángulo de la antena del radar de modo que el haz se dirija más perpendicularmente hacia la superficie inclinada del material;

Habilite las funciones internas de seguimiento de la superficie del material o procesamiento de ecos falsos del instrumento cuando sea posible.

P5: ¿Cómo se puede proteger el cable de acero del radar de onda guiada contra tensión excesiva o rotura durante la descarga del material?

A:Se deben considerar los siguientes tres puntos durante la selección e instalación:

Calcule la fuerza de tracción máxima ejercida por el material sobre el cable y seleccione un cable de alta resistencia con una resistencia a la rotura adecuada, por ejemplo superior a 20 kN cuando lo requiera la aplicación;

Evite instalar el radar de onda guiada directamente debajo de la entrada de material o en el centro de la salida de descarga inferior;

Utilice un método de montaje adecuado según las condiciones de carga mecánica, como una suspensión superior con suspensión libre en el extremo inferior o un sistema de sujeción inferior flexible diseñado cuando corresponda.

P6: ¿Qué materiales pueden medir los transmisores de nivel por radar inteligentes?

A:Los transmisores de nivel de radar inteligentes se utilizan ampliamente para depósitos de carbón en plantas de carbón, silos de cenizas en plantas de energía, tanques de almacenamiento de ácidos y álcalis en instalaciones petroquímicas, tanques de lodos, depósitos de minerales metalúrgicos y silos de cereales alimentarios. Tanto los medios conductores como muchos materiales no conductores de baja constante dieléctrica, como los productos derivados del petróleo ligeros y los polvos secos, se pueden medir cuando se seleccionan la tecnología y la configuración de radar adecuadas.

P7: ¿En qué orden se debe investigar una alarma de "Pérdida de eco" de un transmisor de nivel de radar?

A: Primero, verifique si el nivel máximo de material ha subido a la zona ciega de la antena;

Compruebe si se ha acumulado polvo espeso y pegajoso o lodo de carbón húmedo en la superficie de la antena;

Compruebe si la presión del suministro de purga de aire es normal;

Verifique el voltaje de alimentación del instrumento y la resistencia de aislamiento del cable retardante de llama, incluso si la resistencia de aislamiento permanece por encima de 20 MΩ.

Conclusión

La selección de un transmisor de nivel de radar para minería requiere una consideración exhaustiva del índice de protección contra explosiones, la constante dieléctrica del material, la concentración de polvo y las dimensiones geométricas del espacio de medición. Para depósitos de carbón subterráneos de largo alcance y con mucho polvo y silos de ganga altos, los transmisores de nivel por radar FMCW de 80 GHz proporcionan una sólida combinación de precisión y estabilidad. Para espacios estrechos, materiales con baja constante dieléctrica o tanques de lodos, el radar de onda guiada (GWR) ofrece importantes ventajas técnicas.

Como fabricante profesional que atiende aplicaciones de medición de minería y control de procesos industriales, METRAVON ofrece una gama completa de transmisores de nivel por radar a prueba de explosiones junto con orientación de selección de campo para clientes de las industrias minera, metalúrgica y energética a nivel mundial. Para obtener documentos de certificación a prueba de explosiones en minería, hojas de datos técnicos o cotizaciones de adquisiciones de proyectos, comuníquese con el equipo de ingeniería de METRAVON.

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Autor: Arvin · Fuente: METRAVON Instruments