Trasmettitori di livello a ultrasuoni o radar: principi, applicazioni e guida alla selezione

I trasmettitori di livello a ultrasuoni e a radar sono entrambe tecnologie non a contatto ampiamente utilizzate per la misurazione continua del livello di liquidi e di materiali solidi in massa. Entrambi misurano la distanza tra il sensore e la superficie del materiale, ma impiegano tipi diversi di segnali e, di conseguenza, presentano comportamenti differenti in presenza di variazioni di temperatura, pressione, vapore, schiuma, polvere e condizioni di processo.

Gli strumenti a ultrasuoni utilizzano onde acustiche, mentre gli strumenti radar impiegano onde elettromagnetiche. Questa differenza nel principio di misurazione rappresenta la ragione principale per cui le due tecnologie presentano limiti di applicazione differenti. La scelta deve basarsi sull'ambiente di processo, sulla precisione richiesta, sulle condizioni di installazione e sul costo complessivo del progetto.

1. Come funziona un trasmettitore di livellamento a ultrasuoni?

Un trasmettitore di livello a ultrasuoni è installato sopra la superficie del materiale e invia un impulso acustico verso il liquido o il solido. L'impulso viene riflesso dalla superficie e successivamente ricevuto dal trasduttore.

L'apparecchio calcola la distanza in base al tempo di andata e ritorno:

Distanza = Velocità del suono × Tempo di andata e ritorno ÷ 2

Quando è nota l'altezza di riferimento dell'installazione, il livello effettivo può essere calcolato come segue:

Livello = Altezza di riferimento − Distanza misurata

Poiché l'onda sonora si propaga attraverso lo spazio gassoso compreso tra il sensore e la superficie del materiale, variazioni della temperatura dell'aria, della composizione del gas, dei vapori,La schiuma e il flusso d'aria efficace possono influenzare la propagazione del suono e la qualità dell'eco. Per questo motivo, i trasmettitori ultrasonici industriali utilizzano comunemente una compensazione termica per ridurre gli errori legati alla temperatura.

2. Come funziona un trasmettitore di livello a radar?

Un trasmettitore di livello a radar invia onde elettromagnetiche ad alta frequenza da un'antenna verso la superficie del materiale. Le onde vengono riflesse dal liquido o dal solido e ricevute nuovamente dall'antenna.

L'apparecchio determina la distanza in base al tempo di percorrenza del segnale oppure, nel caso del radar FMCW, in base alla differenza di frequenza tra il segnale trasmesso e quello riflesso.La distanza misurata viene quindi convertita nel livello effettivo.

Il radar non dipende dalla velocità del suono nell'aria e può operare in condizioni di vuoto. In generale, è meno sensibile alle variazioni di temperatura dell'aria, pressione e flusso d'aria. Le prestazioni effettive del radar sono influenzate soprattutto dalle proprietà dielettriche, dalla progettazione dell'antenna, dalla schiuma, dalla condensazione, dalla polvere e dalla geometria di installazione.

3.Differenze principali tra la misurazione del livello a ultrasuoni e quella a radar:

– Elemento di confronto;	– Trasmettitore di livello a ultrasuoni;	– Trasmettitore di livello a radar;
– Segnale di misurazione;	–onda acustica ad alta frequenza;	– onda elettromagnetica / microonde;
– metodo di misurazione;	– misurazione senza contatto;	– misurazione senza contatto;
– variazioni di temperatura	La velocità del suono varia in funzione della temperatura; pertanto, è generalmente necessaria una compensazione.	In generale, presenta una minore sensibilità alle variazioni di temperatura dell'aria.
Pressione di processo.	Utilizzato più comunemente in condizioni atmosferiche o a pressione limitata, a seconda del modello; sono disponibili versioni industriali	per applicazioni sotto vuoto e a pressione più elevata;
– Condizioni di vapore e di gas.	Un vapore intenso o una variazione nella composizione gassosa possono influenzare la propagazione.	: generalmente adatto a un'ampia gamma di condizioni nella fase gassosa.
: schiuma.	La schiuma spessa può attenuare significativamente l'eco acustica.	Può inoltre essere influenzata dalla schiuma, a seconda delle sue proprietà e del tipo di radar.
Polvere	La polvere in abbondanza può attenuare il segnale acustico.	Spesso più adatto ad applicazioni in materiali solidi polverosi.
Vuoto.	Non adatto, poiché le onde acustiche richiedono un mezzo di propagazione.	Adatto.
Influenza del mezzo.	Le condizioni della superficie e le proprietà dello spazio gassoso sono importanti.	Le proprietà dielettriche e la riflettività dell'eco sono importanti.
Posizione di costo tipica.	Spesso conveniente.Per applicazioni convenzionali di misurazione del livello di acqua:	Il costo dipende dalla frequenza, dall'intervallo di misura, dalla temperatura, dalla pressione, dalla certificazione e dalla configurazione dell'interfaccia;

4. Le misurazioni a ultrasuoni sono limitate alle condizioni atmosferiche?

L'intervallo operativo di un trasmettitore di livello a ultrasuoni dipende dal prodotto specifico. Gli strumenti industriali sono disponibili con diverse classifiche per temperatura di processo, temperatura ambiente e pressione; pertanto, le misurazioni a ultrasuoni non sono limitate ai serbatoi aperti e completamente privi di pressione.

Tuttavia, le onde ultrasoniche devono propagarsi attraverso lo spazio gassoso situato sopra il materiale. Alte temperature, pressioni più elevate, vapori densi, composizioni gassose insolite o forti gradienti termici possono rendere l'ambiente di misurazione più impegnativo. Tali condizioni devono essere valutate in relazione alle specifiche del trasduttore e dello strumento selezionati.

5. Il radar può sostituire l'ultrasonica in ogni applicazione?

Le misurazioni mediante radar e ultrasuoni coprono ambiti applicativi sovrapposti, sebbene distinti. Il radar offre generalmente una finestra operativa più ampia in processi industriali ad alta temperatura, sotto pressione, in vuoto, in condizioni di elevata concentrazione di vapori e in ambienti ad alte richieste. La misurazione a ultrasuoni, invece, rappresenta una soluzione consolidata ed economica per numerosi serbatoi d'acqua, bacini di depurazione delle acque reflue, canali aperti e applicazioni convenzionali in atmosfera.

La tecnologia finale va selezionata in base alle condizioni di processo, alle prestazioni di misurazione richieste, ai vincoli di installazione e al costo del progetto, piuttosto che considerare una tecnologia come sostituto universale dell'altra.

6. Quale tecnologia è preferibile in presenza di schiuma?

La schiuma rappresenta una condizione complessa per entrambe le tecnologie: una schiuma spessa può assorbire l'energia ultrasonica, riducendo in modo significativo l'eco reale tra liquido e superficie.Il radar può essere attenuato o riflesso dalla schiuma, a seconda dello spessore della schiuma, del contenuto d'acqua, della struttura delle bolle, delle proprietà del mezzo e della frequenza operativa.

Una schiuma leggera o intermittente può comunque consentire misurazioni affidabili con entrambe le tecnologie. Una schiuma densa e persistente potrebbe richiedere un confronto più approfondito tra radar a distanza, radar a onde guidate, misurazioni basate sulla pressione o altre tecnologie adatte.

7. Quale tecnologia è più adatta per i silos di polveri solide in stato bulk?

Sia le tecnologie a ultrasuoni che quelle a radar possono essere impiegate in applicazioni selezionate con materiali solidi in massa; tuttavia, la presenza di polvere, superfici di materiale inclinate e la diffusione acustica possono ridurre l'intervallo di funzionamento degli strumenti a ultrasuoni.

Radar a alta frequenza, in particolare 80GHz Il radar emette un fascio stretto in grado di evitare le pareti dei silos, i fasci e le strutture interne; per questo motivo è ampiamente impiegato nei silos di cemento, cereali, minerali, carbone e materie prime chimiche.

La selezione deve comunque tenere conto della concentrazione di polvere, dell'altezza del silo, dell'angolo tra il materiale e la superficie, delle proprietà dielettriche e della posizione di montaggio disponibile.

8. Quale tecnologia garantisce una maggiore precisione?

L'accuratezza di una misurazione non può essere determinata soltanto dalla presenza di termini come «radar» o «ultrasonico». I diversi strumenti presentano classi di accuratezza, intervalli di misurazione, capacità di elaborazione dei segnali e limiti di applicazione differenti. Anche la qualità dell'installazione e le condizioni del processo influenzano le prestazioni effettive in campo.

Il radar garantisce misurazioni stabili in un ampio intervallo di condizioni di temperatura, pressione e concentrazione di vapore, offrendo così un numero maggiore di opzioni di prodotto per applicazioni di controllo di processo e stoccaggio particolarmente esigenti. Nelle applicazioni convenzionali di rilevamento del livello d'acqua, in cui la stabilità è fondamentale, gli strumenti a ultrasuoni possono comunque garantire una precisione conforme ai requisiti del progetto.

– 9. Come si confrontano i costi?

Non esiste un rapporto di prezzo fisso tra trasmettitori di livello a radar e a ultrasuoni. Il costo del prodotto dipende dalla portata di misurazione, dalla progettazione radar o acustica, dalla precisione, dalle condizioni di temperatura e pressione del processo, dalla protezione dell'involucro, dalla certificazione per ambienti pericolosi, dai materiali utilizzati, dalla struttura dell'antenna o del trasduttore e dalle interfacce di comunicazione.

Nella misurazione convenzionale del livello d'acqua in ambiente atmosferico, i trasmettitori a ultrasuoni offrono spesso una soluzione economicamente vantaggiosa. Per serbatoi a temperatura elevata o sottoposti a pressione, processi in vuoto, vapori densi o silos polverosi, l'ampio spettro di applicazioni del radar può rispondere meglio ai requisiti tecnici.

10. Quale tecnologia è adatta a diverse applicazioni?

Serbatoi e bacini d'acqua

Possono essere utilizzati sia i trasmettitori a ultrasuoni sia quelli a radar.La selezione può basarsi sull'ambiente, sul livello di precisione richiesto e sul budget del progetto.

Bacini per acque reflue

Devono essere considerati il movimento della schiuma, del vapore e della superficie. L'ultrasonica è adatta a numerose condizioni operative convenzionali, mentre il radar può essere valutato in ambienti più impegnativi.

Serbatoi ad alta temperatura o pressurizzati

Gli strumenti radar dotati di specifiche di temperatura di processo e di pressione sono generalmente valutati in via preliminare.

Vesselli sotto vuoto

Il radar utilizza onde elettromagnetiche ed è adatto alla misurazione del livello sotto vuoto.

Silos per materiale solido in grandi quantità;

Elevata concentrazione di polvere, ampio intervallo di misurazione e geometria complessa del silo rendono spesso opportuno l'uso di radar a alta frequenza;

Canali aperti

La misurazione a ultrasuoni vanta una lunga storia di applicazione e un vantaggio in termini di costi, mentre il radar può essere scelto in base alle condizioni ambientali.

11. Quali informazioni sono necessarie per la selezione?

Parametro di selezione	Informazioni per la conferma
Mezzo di processo	Acqua, acque reflue, olio, liquido chimico, sospensione, polvere o granuli
Intervallo di misura	Distanza massima dal sensore al livello più basso previsto
Temperatura di processo	Temperatura operativa normale, minima e massima
Pressione di processo	In condizioni aperte, atmosferiche,Condizioni di pressione positiva o di vuoto – Condizione superficiale
	Schiuma, movimento, agitazione o superficie inclinata tra materiale solido e gas – Condizioni dello spazio gassoso
	Vapore, gas volatili, gradienti di temperatura o polvere
Ambiente di installazione	Diametro del serbatoio, ugello, fasci di flusso, agitatori e spazio di montaggio disponibile
Interfaccia di uscita:	4-20mA, HART, RS485 Modbus RTU o altre interfacce richieste;

FAQ;

Q1: Il radar è sempre preferibile alla misurazione di livello a ultrasuoni?

A1: Le due tecnologie hanno ambiti di applicazione differenti. Il radar viene comunemente impiegato in condizioni operative estreme, quali temperature elevate, pressioni elevate, vuoto, presenza di vapori e polveri, mentre i serbatoi d'acqua, i canali aperti e le applicazioni atmosferiche convenzionali possono utilizzare una o l'altra tecnologia a seconda dei requisiti del progetto.

Q2: I trasmettitori di livello a ultrasuoni possono essere utilizzati su serbatoi sottoposti a pressione?

A2: Alcuni modelli selezionati possono operare anche sotto pressione limitata.La pressione di processo ammissibile dipende dalla costruzione del trasduttore e dello strumento. Per i recipienti a pressione più elevata è generalmente necessaria una valutazione mediante radar o altre tecnologie idonee.

Q3: Il radar è influenzato dalla schiuma?

A3: Sì. L'effetto dipende dallo spessore della schiuma, dal contenuto d'acqua, dalla struttura delle bolle, dalla frequenza del radar e dalle proprietà del mezzo di processo. Per la schiuma densa e persistente, è necessario effettuare una valutazione specifica.

Q4: Perché la misurazione a ultrasuoni richiede una compensazione termica?

A4: La velocità del suono nell'aria varia in funzione della temperatura. La compensazione termica corregge il calcolo della velocità del suono, riducendo così l'errore di distanza legato alla temperatura.

Q5: Il radar può funzionare in vuoto?

A5: Sì. Il radar utilizza onde elettromagnetiche e non richiede l'aria come mezzo di propagazione. L'apparecchio selezionato deve comunque soddisfare le specifiche richieste per processo, temperatura, pressione e caratteristiche meccaniche.

Q6: I solidi in massa dovrebbero essere misurati mediante ultrasuoni o radar?

A6: Entrambe le tecnologie possono essere utilizzate per determinati tipi di solidi.Nelle applicazioni di silo ad alta concentrazione di polvere, a lungo raggio o complesse, si preferisce spesso l'uso di radar a alta frequenza, mentre nelle applicazioni più semplici a corto raggio è possibile ricorrere anche alla misurazione ultrasonica.

Q7: Un trasmettitore di livello a radar ha sempre un prezzo doppio rispetto a un trasmettitore ultrasonico?

A7: No. Non esiste un rapporto di prezzo fisso. Il costo dipende dall'intervallo di misura, dalla frequenza, dalla precisione, dai materiali, dalle specifiche di temperatura e pressione, dalla protezione, dalla certificazione e dalle interfacce di comunicazione.

Q8: Entrambe le tecnologie possono connettersi a un PLC?

A8: Sì. A seconda dello strumento, sono disponibili interfacce come 4-20mA, RS485 Modbus RTU e HART per l'integrazione con PLC, DCS, RTU e sistemi di acquisizione dati.

– Conclusioni

La differenza principale tra i trasmettitori di livello a ultrasuoni e quelli a radar risiede nel segnale di misura. Gli strumenti a ultrasuoni utilizzano onde acustiche; pertanto, la temperatura dello spazio gassoso, la composizione, la presenza di vapori e la formazione di schiuma possono influenzare la propagazione del segnale. I sistemi a radar, invece, impiegano onde elettromagnetiche e, in generale, offrono una finestra operativa più ampia anche in condizioni di vuoto, nonché di variazioni di temperatura e pressione.

Il radar non è destinato a sostituire ogni applicazione a ultrasuoni, e la tecnologia a ultrasuoni non si limita ai serbatoi completamente aperti e privi di vapore. Le applicazioni convenzionali di rilevamento del livello d'acqua e di canali aperti possono trarre vantaggio dalla maturità tecnologica e dall'efficienza economica delle misurazioni a ultrasuoni, mentre le applicazioni in condizioni di alta temperatura, sotto pressione, in vuoto, in ambienti ricchi di vapore o polverosi, spesso giustificano la valutazione del radar.

METRAVON è in grado di configurare soluzioni di misurazione del livello a ultrasuoni o a radar in base al mezzo di processo, all'intervallo di misurazione, alla temperatura, alla pressione, alla presenza di schiuma, vapore, polvere, alla geometria del recipiente e ai requisiti relativi alle interfacce di automazione, offrendo opzioni di integrazione per PLCs, RTU, DCS e sistemi di monitoraggio remoto.