Misurazione del livello dell'acqua Radar vs Ultrasonic

1. Differenze nei meccanismi di misura fisica e principi operativi per la misurazione del livello industriale

In ingegneria idraulica, sistemi idraulici municipali e controllo dei processi industriali, la misurazione a livello continuo è un componente fondamentale dei sistemi di monitoraggio e acquisizione dati automatizzati come SCADA. Anche se i misuratori di livello dell'acqua radar e i misuratori di livello dell'acqua ultrasuoni possono entrambi fornire uscite analogiche standard di 4-20 mA o segnali digitali RS-485 Modbus RTU, ci sono differenze fondamentali nei loro meccanismi di trasmissione dell'onda fisica sottostante.

1. 1 Radar Water Level Meter: Meccanismo di trasmissione elettromagnetica ad alta frequenza

I misuratori di livello dell'acqua radar, compreso il radar di impulso/FMCW e il radar d'onda guidato (GWR), operano sulla base della propagazione dell'onda elettromagnetica. L'antenna radar trasmette onde elettromagnetiche ad alta frequenza, tipicamente 26 GHz o 80 GHz microonde, o impulsi TDR ad alta frequenza. Queste onde elettromagnetiche viaggiano attraverso l'aria o lungo il percorso di misura a circa la velocità della luce, circa 3 × 10⁸ m/s.

Quando l'onda elettromagnetica raggiunge la superficie del liquido misurato, parte dell'onda si riflette a causa della discontinuità nella costante dielettrica tra l'aria e il mezzo misurato. L'onda riflessa è ricevuta dall'antenna. Il sistema calcola la distanza D dal piano di riferimento del sensore alla superficie liquida misurando la differenza di tempo Δt tra la trasmissione e la ricezione, utilizzando la rifleometria del dominio temporale (TDR) o la tecnologia a onda continua modulata in frequenza (FMCW):

D = (c × Δt) / 2

Poiché la propagazione dell'onda elettromagnetica non richiede un mezzo gassoso come vettore di trasmissione, i misuratori di livello dell'acqua radar possono operare normalmente in un vuoto. La loro velocità di propagazione non è influenzata da densità di gas, temperatura, pressione o concentrazione di vapore.

Processo di misurazione radar

Passo 1 – Trasmissione:L'antenna radar emette onde elettromagnetiche ad alta frequenza.

Passo 2 – Propagazione:Le onde elettromagnetiche viaggiano approssimativamente alla velocità della luce e non richiedono aria o un altro mezzo gassoso come vettore di propagazione.

Passo 3 – Riflessione:Quando le onde elettromagnetiche raggiungono la superficie liquida, parte del segnale viene riflessa a causa della differenza dielettrica costante εr tra l'aria e il mezzo misurato.

Passo 4 – Reception:L'antenna radar riceve il segnale eco riflesso.

Passo 5 – Calcolo della distanza:Lo strumento calcola la differenza di tempo di propagazione Δt e determina la distanza utilizzando

D = (c × Δt) / 2.

1. 2 Misuratore di livello dell'acqua ultrasuoni: Meccanismo ad onde acustiche meccaniche ad alta frequenza

I misuratori di livello dell'acqua ad ultrasuoni utilizzano l'effetto elettrostrittivo dei cristalli piezoelettrici per generare onde sonore ad alta frequenza, onde tipicamente meccaniche nella gamma di 20 kHz-200 kHz. Le onde sonore si propagano verso il basso attraverso l'aria alla velocità del suono v. Quando raggiungono la superficie liquida, si genera una riflessione acustica a causa della discontinuità nell'impedenza acustica. Il trasduttore, o sonda, riceve l'eco e lo converte in un segnale elettrico. La distanza è calcolata utilizzando la seguente formula:

D = (v × Δt) / 2

Le onde sonore sono onde meccaniche, e la loro propagazione dipende fortemente dal trasferimento di energia attraverso collisioni tra molecole di gas. La velocità del suono v in aria è significativamente influenzata dalla temperatura del gas. Una formula di velocità di propagazione approssimativa per l'aria ideale è:

v ≈ 331.5 + 0.607 × T (m/s)

dove T è la temperatura ambiente in gradi Celsius (°C). Anche se i trasmettitori a livello ultrasonico industriali normalmente includono un sensore di compensazione della temperatura PT100 integrato, le variazioni della velocità acustica possono ancora causare errori di misura in ambienti esterni o industriali in cui sono presenti gradienti di temperatura, stratificazione del gas o elevate velocità del vento.

Processo di misura a ultrasuoni

Passo 1 – Trasmissione:Il trasduttore piezoelettrico emette onde sonore meccaniche ad alta frequenza.

Passo 2 – Propagazione:Le onde sonore viaggiano attraverso l'aria o un altro mezzo di gas alla velocità locale del suono.

Passo 3 – Riflessione:Quando le onde sonore raggiungono la superficie liquida, le differenze di impedenza acustica causano una parte dell'energia sonora da riflettere.

Passo 4 – Reception:Il trasduttore riceve l'eco acustico riflesso e lo converte in un segnale elettrico.

Passo 5 – Calcolo della distanza:Lo strumento applica la compensazione della temperatura alla velocità del suono e calcola la distanza utilizzandoD = (v × Δt) / 2.

2. Confronto di parametri chiave di ingegneria e limiti operativi

Per ottenere un'accurata selezione di apparecchiature per le applicazioni di misura industriale e di monitoraggio idraulico, la tabella seguente confronta i parametri tecnici dei misuratori di livello dell'acqua radar industriali METRAVON e dei misuratori di livello dell'acqua ad ultrasuoni in condizioni operative complesse:

3. Analisi dell'interferenza da fattori ambientali complessi

3. 1 Variazioni di densità di gas, polvere e vapore

Misuratore di livello dell'acqua ad ultrasuoni:Quando le onde sonore attraversano alte concentrazioni di polvere, come quelle presenti nei silos di cemento o nei canali minerari, o attraverso alte concentrazioni di vapore acqueo, come nelle torri di raffreddamento di centrali elettriche o nei serbatoi di miscelazione di asfalto, una grande quantità di energia acustica può essere sparpagliata e assorbita da particelle sospese. Questo provoca grave attenuazione del segnale e può anche causare una completa perdita di eco. Inoltre, se esiste una stratificazione del gas o una densità di gas irregolare all'interno del recipiente, può verificarsi una rifrazione acustica dovuta a variazioni della velocità del suono, con conseguente significativi errori di misura sistematici.

Misuratore di livello dell'acqua radar:I microonde hanno forti capacità di propagazione e non sono fisicamente colpiti da polvere, vapore acqueo o nebbia sospesa. Le caratteristiche di propagazione del radar a onda millimetrica 80 GHz consentono di restituire in modo affidabile i riflessi della superficie liquida anche in condizioni operative estremamente polverose o saturate dal vapore.

3. 2 Onde di superficie liquide e turbolenza

Misuratore di livello dell'acqua ad ultrasuoni:Quando le onde sonore meccaniche incontrano una superficie liquida fortemente fluttuante o una superficie liquida coperta di grandi quantità di schiuma, può verificarsi una riflessione diffusa. Di conseguenza, la maggior parte dell'energia acustica riflessa non può tornare alla sonda lungo il percorso di propagazione originale, potenzialmente causando allarmi o perdita di misura della zona cieca.

Misuratore di livello dell'acqua radar:I trasmettitori radar ad alta frequenza integrano algoritmi di monitoraggio dinamico avanzati come la soppressione dell'eco e il filtraggio del falso eco. Anche quando la superficie liquida sta rotolando, turbolenta o coperta di schiuma leggera, i misuratori di livello dell'acqua radar METRAVON possono ancora identificare e monitorare il vero eco di superficie liquida dal rumore di fondo.

3. 3 strutture interne del serbatoio e angolo del vapore di installazione

L'angolo di raggio di un trasmettitore a ultrasuoni è tipicamente tra 6° e 12°, il che significa che l'energia trasmessa è relativamente dispersa. Quando le costole di rinforzo, i tubi, le scale, le pompe o altre strutture interne sono presenti all'interno di un serbatoio o misurano bene, le onde sonore possono facilmente riflettere da questi ostacoli e generare segnali di livello falso.

I misuratori di livello dell'acqua radar METRAVON 80 GHz possono ridurre l'angolo di trasmissione a circa 3°. Il fascio altamente concentrato ed estremamente stretto può evitare più facilmente le strutture interne del serbatoio e gli ugelli di montaggio stretti, viaggiare direttamente verso la superficie liquida, e ridurre significativamente le restrizioni di installazione-spazio nelle applicazioni di campo.

4. Raccomandazioni di selezione per applicazioni industriali tipiche

Durante l'approvvigionamento di ingegneria e la progettazione di progetti, la tecnologia appropriata dovrebbe essere selezionata in base a caratteristiche medie, spazio di installazione disponibile e budget di progetto:

Processo di selezione della misura di livello

Passo 1 – Valutare l'ambiente di processo:Determinare se l'applicazione comporta polvere grave, vapore, alta temperatura, alta pressione, spazio di installazione limitato, o media a basso-dielettrico-costante.

Passo 2 – Condizioni industriali di Harsh:Per polvere alta, vapore pesante, alta temperatura o alta pressione, selezionare un80 GHz trasmettitore di livello radar non contatto, come la serie METRAVON R-80.

Passo 3 – Spazio limitato o Basso Dielettrico Costante:Per le piccole navi, gli spazi confinati o i mezzi a bassa dielettrica-costante, considerareradar a onde guidate (GWR), come il METRAVON GWR-70.

Passo 4 – Generale Acqua e Open-Channel Applicazioni:Per applicazioni dell'acqua a temperatura ambiente, a pressione atmosferica, senza gravi vapori o interferenze ambientali, unmisuratore di livello dell'acqua ultrasuoni, come il METRAVON UT-20, può fornire una soluzione economica.

4. 1 applicazioni in cui i metri di livello dell'acqua ultrasuoni sono preferiti

Misurazione del flusso a canale aperto e idraulico:Nei fluidi aperti Parshall, le intrecci triangolari e le applicazioni di monitoraggio a livello acqua fluviale senza interferenze di vapore, i misuratori a livello di acqua ultrasuoni offrono eccellenti prestazioni di costo. La loro installazione senza contatto elimina anche i requisiti di manutenzione legati alla corrosione.

Serbatoi d'acqua a temperatura ambiente, pressione atmosferica e serbatoi d'acqua pulita:Per lavabi di trattamento acque pulite, serbatoi d'acqua di fuoco e canali di irrigazione agricoli senza forti fluttuazioni di temperatura o azione d'onda forte, la tecnologia ultrasuoni può fornire una misura stabile e affidabile, controllando il costo complessivo del progetto.

4. 2 applicazioni in cui i metri di livello dell'acqua radar sono preferiti

Estrazione mineraria e cementizia di contenitori polverosi:Gli ambienti ad alto livello possono causare un guasto totale della misurazione a ultrasuoni. Un trasmettitore a livello radar da 80 GHz è una scelta standard per la misurazione continua in applicazioni ad alto rendimento.

Serbatoi di miscelazione asfalto, serbatoi di stoccaggio di idrocarburi e vasche di stoccaggio chimico:Per composti organici volatili (VOC), alte concentrazioni di vapore e ambienti ad alta temperatura superiori a 80 °C, i misuratori di livello dell'acqua radar non sono influenzati da cambiamenti nelle proprietà di rifrazione del vapore allo stesso modo degli strumenti a ultrasuoni.

Pozzi profondi e reattori stretti con agitatori complessi:L'angolo di fascio stretto del radar 80 GHz consente al segnale di passare attraverso spazi confinati e raggiungere la superficie liquida evitando false eco generate da lame di agitatore.

Liquidi a bassa dielettricità, come il gas liquefatto e i prodotti petroliferi leggeri:Selezionare un misuratore di livello dell'acqua radar a onde guidate METRAVON (GWR). Concentrando l'energia d'onda elettromagnetica lungo una sonda metallica, la misurazione a livello di millimetro continua può essere raggiunta in applicazioni con costanti dielettriche inferiori a 1. 4.

FAQ

Q1: Perché le misurazioni del livello dell'acqua a ultrasuoni possono differire tra giorno e notte quando lo strumento è installato all'aperto?

A:La causa diretta è una compensazione inefficace per i gradienti della temperatura dell'aria. La misurazione a ultrasuoni dipende dalla velocità del suono e dalla velocità del suono cambia con la temperatura. Per ogni aumento di temperatura di 1 °C, la velocità del suono aumenta di circa 0. 6 m/s. Anche se il sensore ha un elemento di compensazione della temperatura incorporato, la compensazione può diventare imprecisa quando la radiazione solare diretta riscalda l'alloggiamento della sonda in modo che la temperatura del sensore interno sia significativamente superiore alla temperatura dell'aria reale lungo il percorso di propagazione acustica. Questo può portare a deviazione di misura.

Raccomandazione sugli appalti:I misuratori di livello dell'acqua ultrasuoni all'aperto dovrebbero essere dotati di uno scudo di radiazione solare. Per applicazioni di monitoraggio idrologico ad alta precisione, è raccomandato un misuratore di livello dell'acqua radar METRAVON 80 GHz, che non è influenzato dal campo di temperatura dell'aria allo stesso modo.

Q2: Come fa una bassa costante dielettrica, o basso εr, influenzare un metro di livello dell'acqua radar, e come può essere affrontato il problema?

A:La costante dielettrica determina la percentuale di energia elettromagnetica riflessa dalla superficie media. Quando la costante dielettrica è molto bassa, come diesel con εr di circa 2. 1 o gas liquefatto con εr di circa 1. 4, una grande percentuale dell'energia a microonde non contaminata può penetrare il mezzo invece di essere riflessa. Questo indebolisce il segnale riflesso e può rendere difficile per l'elettronica del ricevitore identificare l'eco corretto.

Soluzioni e condizioni di selezione:

Selezionare un misuratore di livello dell'acqua radar METRAVON 80 GHz con energia trasmessa altamente concentrata.

Selezionare un misuratore di livello dell'acqua radar a onde guidate METRAVON (GWR), che utilizza una sonda coassiale o una sonda di tipo cavo per guidare le onde elettromagnetiche e ridurre al minimo la perdita di energia.

Q3: I misuratori di livello dell'acqua radar possono sostituire completamente i misuratori di livello dell'acqua ultrasuoni?

A:Dal punto di vista tecnico-prestativo, la tecnologia radar può fornire una completa sostituzione funzionale. I misuratori di livello dell'acqua radar offrono vantaggi in accuratezza, resistenza alla temperatura e alla pressione, resistenza alle interferenze ambientali come polvere, vapore, vento e variazione di temperatura e controllo del fascio-angolo.

Raccomandazione sugli appalti:La selezione delle attrezzature dovrebbe bilanciare i requisiti tecnici contro il budget del progetto. I misuratori di livello dell'acqua ad ultrasuoni mantengono un notevole vantaggio di costo nelle normali applicazioni dell'acqua che operano a temperatura ambiente e pressione atmosferica senza interferenze di vapore. Se il budget del progetto è sufficiente o le condizioni operative sono esigenti, si dovrebbe considerare l'aggiornamento del sistema di misura completo ai misuratori di livello dell'acqua radar.

Q4: Che tipo di misuratore di livello dell'acqua fornisce una misura più stabile nei serbatoi di trattamento delle acque reflue con grandi quantità di schiuma?

A:La schiuma può assorbire sia l'energia acustica che quella a microonde. Tuttavia, il radar d'onda guidato (GWR) fornisce generalmente la massima stabilità in questo tipo di applicazione perché la sonda d'onda guidata può passare direttamente attraverso lo strato di schiuma di superficie e misurare la vera interfaccia liquida sottostante utilizzando segnali elettromagnetici ad alta frequenza. Se la misurazione non di contatto è obbligatoria, è necessario selezionare un radar 80 GHz ad alta frequenza con algoritmi di tracciamento multi-eco. I misuratori di livello dell'acqua ad ultrasuoni sono più propensi a perdere il segnale a causa della riflessione diffusa in queste condizioni.

Q5: Che impatto pratico dell'ingegneria ha la zona cieca sulla misurazione del livello?

A:La zona cieca è la distanza minima direttamente sotto la sonda del sensore all'interno della quale non è possibile effettuare misurazioni efficaci. A causa del tempo di riduzione dell'anello del trasduttore, i contatori di livello dell'acqua ultrasuoni hanno in genere una zona cieca relativamente grande di circa 0. 25 m–0. 8 m. Se il livello liquido sale in questa zona, il sensore può emettere un segnale completo errato, creando un potenziale rischio di sovraccarico. I misuratori di livello dell'acqua radar hanno generalmente una zona cieca molto più piccola, tipicamente circa 0. 05 m–0. 1 m, che può migliorare significativamente la capacità di stoccaggio utilizzabile.

Q6: Come dovrebbero essere selezionate tecnologie ultrasoniche e radar per applicazioni di misurazione del flusso a canale aperto come i flumes Parshall?

A:Selezionare un misuratore di livello dell'acqua a ultrasuoni nelle seguenti condizioni: acqua di tempesta comunale o canali aperti delle acque reflue senza vapore acqueo significativo, senza vento forte, e un budget di progetto limitato.

Selezionare un misuratore di livello dell'acqua radar nelle seguenti condizioni: scarico industriale delle acque reflue che comporta differenze di temperatura e vapore acqueo, canali fluviali turbolenti ad alta velocità, o serbatoi esterni fortemente colpiti dal vento.

Raccomandazione sugli appalti:Per i progetti di monitoraggio dello scarico chiave operati dalle autorità idriche o dai parchi industriali, si raccomanda un sistema di misurazione del flusso a canale aperto radar METRAVON per migliorare la continuità dei dati di monitoraggio caricati e supportare la conformità alle normative.

Q7: Come dovrebbe essere selezionato il radar d'onda guidato (GWR) e il radar ad alta frequenza non contatto?

A: Radar d'onda guidato:Adatto per supporti altamente viscosi o adesivi, liquidi estremamente bassi-dielettrici-costanti, serbatoi stretti con agitazione grave, o la misura dell'interfaccia solido-liquida come la misurazione a livello di fanghi nei serbatoi di fissaggio.

Radar non-contatto:Adatto a liquidi altamente corrosivi in cui la corrosione della sonda deve essere evitata, viscosa o cristallizzante, e serbatoi alimentari igienici o farmaceutici in cui non è consentito il contatto diretto con la sonda con il mezzo.

Conclusioni

Non c'è alcuna superiorità assoluta tra i misuratori di livello dell'acqua radar e i contatori di livello dell'acqua ultrasuoni. La considerazione chiave corrisponde al principio di misura alle condizioni operative effettive. Grazie all'elevata efficienza dei costi, i contatori a livello di acqua ultrasuoni rimangono una soluzione pratica per le normali applicazioni di acqua a canale aperto e i serbatoi d'acqua convenzionali che operano a temperatura ambiente e pressione atmosferica. I misuratori di livello dell'acqua radar, particolarmente ad alta frequenza 80 GHz radar a microonde e tecnologia radar ad onda guidata, sono diventati strumenti di misura critici per processi industriali complessi, vasi di stoccaggio pericolosi e monitoraggio idrologico ad alta precisione a causa della loro forte resistenza fisica alle interferenze da temperatura, umidità, pressione, vapore e polvere.

In qualità di fornitore di soluzioni per la misurazione del processo industriale e il monitoraggio idraulico, METRAVON offre una gamma completa di prodotti che copre radar ad alta frequenza da 80 GHz, radar a onde guidate e trasmettitori a livello ultrasonico industriale. METRAVON fornisce anche la selezione di attrezzature personalizzate e il supporto di integrazione del segnale per condizioni operative complesse. Per ottimizzare la soluzione di misurazione del livello o per ottenere specifiche tecniche dettagliate e prezzi dei progetti, si prega di contattare il team tecnico METRAVON.

Risorse correlate

Misuratori di livello radar · Misura di livello

Autore: Arvin · Fonte: Strumenti METRAVON