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Riassunto tecnico:
Gli strumenti di misurazione del livello a ultrasuoni e a radar vengono entrambi utilizzati per la misurazione del livello senza contatto, ma si basano su principi fisici diversi. Gli strumenti a ultrasuoni utilizzano onde sonore meccaniche e, pertanto, dipendono dal percorso del gas tra il sensore e la superficie del prodotto; il radar, invece, utilizza onde elettromagnetiche e non richiede l'aria come mezzo di propagazione.Di conseguenza, il radar offre generalmente un intervallo operativo più ampio in condizioni di vuoto, alte temperature, presenza di vapore o polvere, nonché in situazioni di geometria complessa del contenitore. Tuttavia, il radar può comunque essere influenzato da schiuma, condensazione, bassa costante dielettrica e accumulo di materiale sull'antenna.
Indice
La differenza fondamentale tra tecnologia ultrasonica e radar
Quale tecnologia è più adatta per silos contaminati da polvere?
La differenza fondamentale tra tecnologia ultrasonica e tecnologia radar
| Articolo | Strumento di misurazione del livello ultrasonico | Strumento di misurazione del livello radar |
|---|---|---|
| Segnale di misurazione | Onda sonora meccanica | Onda elettromagnetica / microonde |
| Mezzo di propagazione richiesto | Richiede aria o altro gas | Non dipende dall'aria; può propagarsi in vuoto |
| Principio di misurazione tipico | Tempo di volo acustico | Pulse ToF o FMCW |
| Influenza della temperatura | Più significativa; è necessaria la compensazione della velocità del suono | Di solito meno sensibile, ma si applicano comunque i limiti legati alla temperatura dello strumento |
| Pressione / Vuoto | Non può funzionare normalmente in vuoto ideale | Può essere utilizzato in vuoto;Valutazione della pressione è specifica per ogni modello: |
| Polvere; | Polvere densa può attenuare il suono; | Di solito più adatto, ma anche in presenza di polvere estrema è necessaria una valutazione; |
| Angolo del fascio; | Spesso relativamente ampio; | Il radar ad alta frequenza può fornire un fascio stretto; |
| Interni complessi dei veicoli; | Richiede un percorso acustico chiaro; | Il radar a fascio stretto a 80 GHz presenta spesso un vantaggio; |
Come funziona la misurazione del livello ultrasonica?
Un sensore di livello ultrasonico trasmette onde sonore ad alta frequenza attraverso lo spazio gassoso sopra il prodotto; il suono si riflette sulla superficie del liquido o dei solidi e ritorna al ricevitore.
d = v × t / 2
, dovedÈ la distanza,vè la velocità del suono nel gas, etÈ il tempo di propagazione di andata e ritorno.
Il punto fondamentale è che la velocità del suono non è perfettamente costante in tutte le condizioni di campo; essa varia in funzione della temperatura e della composizione del gas, motivo per cui gli strumenti ultrasonici industriali utilizzano normalmente una compensazione termica.
Come funziona la misurazione del livello con radar?
Il radar trasmette segnali elettromagnetici a microonde verso la superficie del liquido o dei solidi e analizza l'eco riflesso.
Trasmissione a microonde → Riflessione sulla superficie del prodotto → Ricezione dell'eco → Elaborazione del segnale → Calcolo della distanza → Conversione del livello
Per radar a impulsi:
d = c × t / 2
Per i radar FMCW, la distanza è calcolata sulla base della differenza di frequenza tra il segnale di scansione trasmesso e il segnale di ritorno ritardato.
«26 GHz» e «80 GHz» indicano la frequenza operativa; «Pulse» e «FMCW» indicano il metodo di misurazione e di elaborazione del segnale.
Confronto delle prestazioni;
| Condizione del processo; | Ultrasuono; | Radar; |
|---|---|---|
| Serbatoio d'acqua semplice; | Adatto; | Adatto; |
| Bacino aperto; | Adatto; | Adatto; |
| Vaso a vuoto; | Non adatto; | Può essere valutato; |
| Vapore ad alta temperatura | Più fortemente colpito; | Di solito merita di essere priorizzato; |
| Silo ad alta quantità di polvere; | L'attenuazione sonora può essere significativa; | Di solito più adatto |
| Thick Foam | può rilevare la superficie della schiuma oppure perdere l'eco | richiede inoltre una valutazione specifica per la schiuma |
| Vaso stretto | Il fascio stretto può interagire con le pareti | Il fascio stretto a 80 GHz è vantaggioso |
| Interni complessi | Le riflessioni di interferenza sono più difficili da gestire | Il radar a fascio stretto può aggirare gli ostacoli più facilmente |
| Silo ad ampio raggio | Il raggio di copertura deve essere valutato con attenzione | Radar ad alte prestazioniSpesso più adatto: |
| Applicazione semplice sensibile ai costi; | Spesso conveniente dal punto di vista economico; | Di solito ad alto costo; |
In che modo la temperatura influisce sulle due tecnologie?
La misurazione ultrasonica dipende dalla velocità del suono nel percorso del gas; poiché la velocità del suono varia in funzione della temperatura, una compensazione errata può generare errori di distanza.
La propagazione elettromagnetica del radar è molto meno sensibile alle variazioni normali della temperatura del gas; tuttavia, l'apparato radar stesso presenta comunque limiti legati alla temperatura ambientale, alla temperatura del processo, al sigillaggio e all'elettronica.
Condizioni di pressione e vuoto
Vuoto
Le onde ultrasoniche richiedono un mezzo materiale, come l'aria o il gas. In un vuoto ideale, il suono non si propaga in modo normale; le onde elettromagnetiche del radar, invece, possono propagarsi nel vuoto.
Pressione
Per i recipienti sotto pressione, la progettazione meccanica degli strumenti è fondamentale. Verificare la pressione massima del processo, la classe di pressione delle flange, i sigilli e eventuali approvazioni richieste.
In che modo la schiuma influisce sulla misurazione?
È errato supporre che il radar attraversi sempre la schiuma, mentre l'ultrasuono non riesca sempre.
Ultrasuono e Schiuma
La schiuma può assorbire, disperdere o riflettere l'energia acustica. Una schiuma spessa può ridurre significativamente l'eco reale della superficie del liquido. Le prestazioni del radar
e della schiuma
dipendono dal spessore della schiuma, dal contenuto di umidità, dalle dimensioni e dalla densità delle bolle, dalla frequenza operativa e dalle proprietà dielettriche del liquido. In alcuni casi, il radar potrebbe rilevare la superficie superiore della schiuma anziché la superficie del liquido sottostante.
Per applicazioni con schiuma spessa, definire se l'obiettivo di misurazione richiesto sia l'interfaccia liquida reale o la superficie superiore della schiuma.
Quale tecnologia è più adatta per silos contenenti polvere?
Alte concentrazioni di polvere di cemento, polvere minerale, polvere di carbone o polvere di cereali possono attenuare e dispersare l'energia ultrasonica.
Il radar è generalmente più adatto per polveri dense; tuttavia, polveri estreme, accumulo di polvere sull'antenna e prodotti a bassa costante dielettrica possono comunque ridurre la qualità dell'eco radar.
Per silos con materie solide in quantità elevate e particolarmente complessi, è spesso consigliabile valutare innanzitutto l'impiego di un radar a fascio stretto a 80 GHz.
Vapore e condensazione;
I recipienti caldi possono generare vapore, gradienti di temperatura, elevata umidità e condensazione. Tali condizioni possono influenzare in modo significativo la velocità del suono ultrasonico e la trasmissione dell'energia acustica.Il radar
è pertanto spesso preferito per applicazioni con alta concentrazione di vapore; tuttavia, una condensazione intensa sull'antenna radar può comunque compromettere la qualità dell'eco o generare echi falsi.
Perché è importante l'angolo del fascio?
Né l'ultrasuono né il radar rappresentano una linea infinitamente sottile: entrambi generano un fascio o un cono di misurazione. Le pareti del serbatoio, i fasci di radiazione, le scale, gli agitatori, le bobine e le tubazioni di riempimento all'interno di tale fascio possono generare riflessioni indesiderate.
Uno dei principali vantaggi del radar a 80 GHz è la capacità di generare un fascio stretto grazie a un adeguato design dell'antenna. Questa caratteristica è particolarmente utile per serbatoi di piccolo diametro, reattori, silos stretti e posizioni di montaggio vicine alla parete della nave.
Come dovrebbe essere confrontata la distanza e l'accuratezza?
Non considerare valori fissi, come «ultrasuono 50 m» o «radar 70 m», come limiti universali dell'industria; la distanza effettiva dipende dal modello specifico e dalle condizioni di processo.
La portata ultrasonica dipende dalla potenza acustica, dalla frequenza, dalla temperatura, dalla polvere, dai vapori, dall'area del bersaglio e dall'angolo di superficie.
La portata radar dipende dalla frequenza operativa, dal guadagno dell'antenna, dalla costante dielettrica, dalla geometria della superficie solida, dalla polvere, dal processamento del segnale e dalla struttura di installazione.
La domanda ingegneristica corretta è:Qual è l'intervallo di raggio d'azione efficace di questo modello specifico nelle mie condizioni reali di ambiente e processo?
: Il radar è sempre più accurato rispetto all'ultrasonica?
Il radar a onde millimetriche ad alte prestazioni può ottenere un'eccellente risoluzione e una precisione a livello millimetrico; tuttavia, non tutti i radar sono più accurati di ogni strumento ultrasonico.
Per serbatoi d'acqua semplici, la misurazione ultrasonica può soddisfare pienamente la precisione richiesta. Il radar offre generalmente vantaggi maggiori in caso di serbatoi con elevata precisione, silos complessi o applicazioni di controllo di processo particolarmente esigenti.
– Radar a 26 GHz rispetto a radar a 80 GHz;
| Articolo; | Radar a 26 GHz; | Radar a 80 GHz; |
|---|---|---|
| Maturità tecnologica; | Matura; | Matura e ampiamente utilizzata; |
| Angolo del fascio; | Tipicamente più ampio; | Tipicamente più stretto; |
| Dimensioni dell'antenna; | Relativamente più grande; | Può essere più piccolo; |
| Applicazione su serbatoi di grandi dimensioni; | Adatto; | Adatto per |
| Piccoli impianti; | Spazio di passaggio del fascio: deve essere valutato; | Spesso vantaggioso; |
| Interni complessi; | La posizione di montaggio è più critica; | Un fascio stretto presenta spesso un vantaggio; |
| Silos per solidi di grandi dimensioni; | Applicabile; | I silos complessi favoriscono spesso la valutazione a 80 GHz; |
– Differenze di installazione;
– Installazione ultrasonica;
Posizionare il sensore in modo approssimativamente perpendicolare alla superficie del prodotto.
Evitare il passaggio attraverso il flusso di riempimento.
Evitare muri e strutture interne.
Considerare la compensazione termica.
Mantenere pulita la superficie del trasduttore.
Evitare zone con forte presenza di vapore o con intensi flussi di gas.
Installazione del radar
Evitare allineamento diretto con il flusso di riempimento.
Utilizzare l'angolo del fascio per evitare di incontrare muri o strutture interne.
Prevenire una contaminazione grave dell'antenna e la condensazione.
Verificare la geometria del ugello.
Configurare correttamente la calibrazione per condizioni vuote e piene.
Eseguire la mappatura degli echi falsi quando richiesto.
Applicazioni industriali tipiche
1.Tank d'acqua semplici e bacini aperti
sia il sistema ultrasonico sia quello radar possono essere utilizzati in base al budget, alla precisione richiesta e all'interfaccia di comunicazione.
2. Silos per cemento, polvere minerale e carbone
il sistema radar è generalmente preferibile per ambienti con polvere pesante, distanze elevate, superfici solide irregolari o geometrie di silo complesse.
3. Tank chimici e reattori
Trasmettitore di livello radar → 4–20 mA/HART → PLC / DCS
4. Serbatoi con piccolo diametro
in caso di limitazione dello spazio tra parete e serbatoio, è consigliabile utilizzare un radar a fascio stretto (80 GHz) o un radar a onde guidate.
5. Monitoraggio remoto per più silos
Trasmittitori di livello radar → RS485 Modbus RTU → RTU / Gateway industriale → 4G / Ethernet → SCADA / IoT
PLC, integrazione con RTU e Gateway industriale →
4–20 mA
Trasmettitore di livello → 4–20 mA → PLC AI / DCS
4–20 mA/HART
Trasmettitore di livello radar → 4–20 mA/HART → PLC / DCS / Sistema HART
RS485 Modbus RTU
Strumento di livellazione → RS485, Modbus RTU → PLC / RTU / Gateway industriale
Radar → RS485 → Gateway → 4G / Ethernet → MQTT / HTTP → SCADA / Server per client
Tabella di selezione tecnica
| Condizione del progetto | Tecnologia da valutare in primo luogo | Motivo |
|---|---|---|
| Bacino aperto semplice | Tecnologia ultrasonica o radar | Entrambe possono funzionare in condizioni semplici |
| Serbatoio d'acqua semplice | Tecnologia ultrasonica o radar | Selezione in base a costo e precisioneL'interfaccia |
| Vaso a vuoto, | Radar e | Ultrasuoni richiedono un mezzo di propagazione. |
| Radar ad alta temperatura ( | ), Radar | , Soluzione ultrasonica: più sensibile alle condizioni del percorso del gas ( |
| ); Silo ad alta quantità di polvere ( | ); Radar | L'attenuazione acustica è generalmente più marcata ( |
| ); Tank a piccolo diametro ( | ); Radar a 80 GHz o radar a onda guidata ( | ); L'impulso ristretto o la propagazione guidata riducono le interferenze con le pareti ( |
| ); Reattore complesso ( | ); Radar a 80 GHz / radar a onda guidata ( | ); Dipende dai componenti interni e dal mezzo utilizzato ( |
| ); Spugna spessa | Valutazione specifica per applicazione; | Entrambe le tecnologie possono essere influenzate; |
| Progetto semplice sensibile ai costi; | Tecnologia ultrasonica; | Può offrire vantaggi di costo nelle condizioni appropriate; |
| Processo complesso su lungo termine; | Radar; | Offre generalmente un intervallo di processo più ampio; |
Quali informazioni devono essere fornite prima della selezione?
| Elemento di selezione | Informazioni obbligatorie |
|---|---|
| Mezzo | Liquido, polvere, granuli, sospensione e nome esatto del prodotto |
| Intervallo | Distanza massima dalla superficie più bassa del prodotto |
| Dimensioni del recipiente | Altezza, diametro, forma |
| Temperatura | Temperatura ambiente e di processo |
| Pressione | Atmosferico, pressurizzato o a vuoto – |
| Polvere – | Presenza di polvere sospesa densa – |
| Spuma – | Spessore, persistenza, contenuto di umidità – |
| Vapore / Condensazione – | Presenza continua – |
| Componenti interni | Agitatori, bobine, scale, tubazioni per riempimento |
| Conessione di processo | Filetto, flangia, dimensione |
| Uscita | 4–20 mA, HART, RS485 Modbus RTU |
| Sistema di controllo | PLC, DCS, RTU, SCADA, gateway industriale |
FAQ
Q1: Quale è più accurata – la misurazione ultrasonica o quella radar?
Il radar ad alte prestazioni offre una risoluzione più elevata, ma l'accuratezza effettiva deve essere confrontata modello per modello.
Q2: È possibile utilizzare la misurazione ultrasonica in vuoto?
In genere no. Le onde ultrasoniche richiedono un mezzo materiale, come un gas; le onde elettromagnetiche del radar possono propagarsi in vuoto.
Q3: Il radar è completamente immune all'effetto della schiuma?
No.La schiuma spessa o umida può attenuare o riflettere i segnali radar. In alcuni casi, il radar misura la superficie della schiuma.
Q4: Perché l'ultrasuono è meno adatto per silos con alta concentrazione di polvere?
La polvere sospesa densa può assorbire e disperdere l'energia acustica, riducendo l'eco utilizzabile.
Q5: È possibile utilizzare il radar in condizioni di vuoto o ad alta pressione?
I segnali radar possono propagarsi nel vuoto; tuttavia, la classificazione di resistenza alla pressione meccanica dell'istrumento, i sigilli e la connessione di processo devono essere compatibili con la vasca.
Q6: La misurazione ultrasonica richiede compensazione della temperatura?
Di solito sì, poiché la velocità del suono varia in funzione della temperatura.
Q7: Perché il radar a 80 GHz è adatto per serbatoi di piccole dimensioni?
La lunghezza d'onda più breve consente la progettazione di antenne a fascio stretto, che riducono le riflessioni provenienti dalle pareti delle navi vicine.
Q8: Il radar è sempre necessario per un semplice bacino idrico?
No. Se il processo è semplice e non esistono forti gradienti di vapore, schiuma o temperatura, la misurazione ultrasonica può rappresentare una soluzione conveniente dal punto di vista economico.
Q9: È possibile collegare sia un sistema ultrasonico che un sistema radar al dispositivo PLC?
Sì, a seconda dell'interfaccia del prodotto. Tra le opzioni più comuni figurano i modelli 4–20 mA e RS485 Modbus RTU; inoltre, molti strumenti radar supportano anche la tecnologia HART.
Q10: Dovrebbe essere confrontato principalmente il prezzo tra un sistema ultrasonico e un sistema radar?
No. È consigliabile prima verificare l'adeguatezza del processo, e successivamente confrontare l'intervallo di misurazione, la precisione, l'installazione, l'interfaccia di comunicazione, la manutenzione e il costo del ciclo di vita.
Conclusione
Le tecnologie a ultrasuoni e a radar sono entrambe soluzioni di misurazione del livello senza contatto; tuttavia, la fisica della loro propagazione determina limiti d'applicazione differenti. La tecnologia a ultrasuoni risulta particolarmente vantaggiosa per numerosi serbatoi e bacini di semplice configurazione. La tecnologia a radar, invece, offre un campo di applicazione più ampio in condizioni quali vuoto, presenza di polvere, temperature elevate, presenza di vapori, strutture interne complesse dei contenitori e applicazioni per misurazioni su solidi in grandi volumi a lunga distanza.
nella selezione corretta è necessario considerare fattori come il mezzo utilizzato, l'intervallo di misurazione, la temperatura, la pressione, la schiuma, la polvere, i vapori, la geometria del contenitore, lo spazio disponibile per l'installazione, la precisione e l'interfaccia di comunicazione prima di scegliere tra tecnologie ultrasoniche, radar a 26 GHz, radar a 80 GHz, radar a onde guidate o altre tecnologie per la misurazione del livello.
METRAVON Selezione di strumenti per la misurazione industriale del livello;
per la valutazione del progetto, fornire il tipo di mezzo (liquido o solido), la distanza massima di misurazione, le dimensioni del contenitore o del silo, la temperatura e la pressione del processo, le condizioni di vuoto, le condizioni di schiuma, vapore, polvere o condensazione, le strutture interne, la connessione al processo, l'interfaccia di comunicazione, il sistema host nonché foto o disegni del sito.
