Vantaggi e svantaggi dei trasmettitori di livello radar: installazione, frequenze e selezione

I trasmettitori radar per il rilevamento del livello sono ampiamente utilizzati per la misurazione continua del livello in serbatoi industriali, sistemi di trattamento delle acque, processi chimici, stoccaggio di petrolio, produzione alimentare, attività minerarie e silos per materiali solidi in grande quantità. In base al principio di misurazione e alla struttura della sonda, la misurazione industriale del livello mediante radar può essere generalmente suddivisa in radar a contatto e radar a onde guidate.

Un trasmettitore radar a contatto zero invia onde elettromagnetiche attraverso un'antenna verso la superficie del materiale e ne calcola la distanza in base al segnale riflesso. Il radar a onda guidata, invece, indirizza l'impulso radar lungo un'asta o un cavo. Entrambe le tecnologie si basano sui principi del radar, ma presentano differenze nei metodi di installazione, nelle applicazioni più adatte e nei requisiti di manutenzione.

1. Come funziona un trasmettitore radar per livellamento?

Un trasmettitore di livello a radar emette onde elettromagnetiche ad alta frequenza verso la superficie del processo. Quando il segnale radar raggiunge la superficie di un liquido, di una sospensione o di un materiale solido in libera circolazione, una parte del segnale viene riflessa verso l'apparecchio. Il trasmettitore analizza il tempo di percorrenza o la differenza di frequenza tra il segnale trasmesso e quello riflesso, al fine di calcolare la distanza dalla superficie del materiale.

Quando l'altezza di riferimento del serbatoio o del silo è nota, il livello effettivo può essere calcolato come segue:

Livello = Altezza di riferimento − Distanza tra il radar e la superficie del materiale

Gli strumenti radar industriali moderni utilizzano comunemente il radar a impulsi o la tecnologia FMCW (onda continua modulata in frequenza). Poiché il radar si basa su onde elettromagnetiche, non richiede l'aria come mezzo di propagazione e può operare in condizioni di vuoto. Inoltre, è generalmente meno sensibile rispetto alle misurazioni a ultrasuoni ai cambiamenti di temperatura, pressione e flusso d'aria nell'aria.

2. Quali sono i principali tipi di strumenti di misurazione del livello a radar?

Trasmettitore di livello a radar senza contatto

L'antenna è installata sopra il materiale e non rimane in contatto diretto con il mezzo di processo. Può essere utilizzata per liquidi, sospensione, polveri, granuli e determinati solidi in forma libera.

Radar a onde guidate

L'impulso radar si propaga lungo un'asta o un cavo e, pertanto, utilizza una struttura di misurazione a contatto. È adatto per liquidi a bassa costante dielettrica selezionati, applicazioni con schiuma, misurazioni di interfaccia e camere di bypass.

Il radar a distanza è particolarmente indicato nei casi in cui il contatto diretto con il mezzo di processo debba essere ridotto al minimo, mentre il radar a onde guidate può offrire vantaggi in specifiche applicazioni relative alla schiuma, alle interfacce e ai contenitori di dimensioni ridotte. La scelta finale deve tenere conto del tipo di mezzo di processo, della temperatura, della pressione, della presenza di schiuma, dello spazio disponibile per l'installazione e delle condizioni di manutenzione.

3.Vantaggi principali dei trasmettitori di livello a radar

: misurazione continua senza contatto

Le antenne radar a contatto zero non devono rimanere immerse nel mezzo, riducendo l'esposizione diretta a corrosione, usura e accumulo di residui.

Ampia gamma di temperature e pressioni

A seconda del modello specifico, gli strumenti radar possono essere impiegati in processi atmosferici, in vuoto, in ambienti pressurizzati e ad alte temperature.

Adatto per liquidi e solidi.

Le applicazioni includono acqua, olio, prodotti chimici e sospensioni, nonché cemento, cereali, minerali, carbone e altri solidi in massa.

Il fascio stretto riduce le interferenze.

Il radar ad alta frequenza è in grado di generare un fascio di misurazione stretto, contribuendo a evitare pareti di imbarcazioni, tubi, travi strutturali e altri ostacoli interni.

Non è direttamente influenzato dalle variazioni di densità

La misurazione del livello mediante radar non dipende dalla pressione idrostatica; pertanto, le variazioni di densità del liquido non provocano direttamente gli errori di livello tipici delle misurazioni idrostatiche.

Integrazione semplice con sistemi di automazione

A seconda del modello, le interfacce possono includere segnali 4-20mA, HART e RS485 Modbus RTU per l'integrazione con PLC, DCS, RTU e sistemi SCADA.

4. Quali sono i limiti della misurazione del livello mediante radar?

Sebbene il radar abbia un ampio spettro di applicazioni, non è automaticamente adatto a ogni processo senza una corretta selezione e installazione. La riflettività media, la presenza di schiuma, l'accumulo di materiale sull'antenna, le strutture interne e la posizione di montaggio possono comunque influenzare le prestazioni di misurazione.

Media a bassa costante dielettrica

I mezzi debolmente riflettenti possono richiedere un intervallo dinamico più ampio oppure una frequenza radar e un'antenna più idonei.

Spuma spessa

La spuma densa può attenuare i segnali radar; pertanto, non si può presumere che il radar penetri in ogni tipo di spuma senza limitazioni.

Accumulo di massa sull'antenna

Un rivestimento eccessivo, depositi o condensazione possono compromettere la qualità dell'eco; tali fattori vanno valutati in combinazione con la progettazione dell'antenna e l'elaborazione del segnale.

Strutture interne complesse

Agitatori, bobine di riscaldamento, strutture di supporto e travi possono generare eco falsi.

Posizione di installazione

Anche un trasmettitore radar ad alte prestazioni può produrre misurazioni instabili se installato in una posizione inadeguata.

5.Qual è la differenza tra il radar a alta frequenza e quello a bassa frequenza?

La frequenza del radar influenza la lunghezza d'onda, le dimensioni dell'antenna, l'angolo del fascio e l'idoneità per diverse condizioni di processo. Tra le tecnologie radar industriali più diffuse figurano quelle a 24 GHz.26GHz e 80GHz radar a non contatto, mentre prodotti a frequenza più bassa sono impiegati in alcune applicazioni selezionate.

Frequenze più elevate corrispondono a lunghezze d'onda più corte. A parità di dimensioni dell'antenna, un radar a frequenza più elevata può generalmente generare un fascio più stretto.Il radar a frequenza più bassa presenta una lunghezza d'onda maggiore e può offrire vantaggi in determinate condizioni relative alla schiuma, alla condensazione o a processi speciali.

6. In quali casi il radar a elevate frequenze risulta particolarmente utile?

I principali vantaggi del radar a alta frequenza sono la lunghezza d'onda più corta, il fascio più stretto e un'antenna più compatta. Ad esempio, con la stessa o un'antenna di dimensioni simili,80GHz Il radar può generalmente generare un fascio più stretto rispetto a 26GHz radar, riducendo l'influenza delle strutture fisse in prossimità.

Serbatoi di stoccaggio di dimensioni ridotte o di piccole dimensioni

Vasi dotati di tubi, travi o agitatori

Silos per cemento, cereali e minerali

Applicazioni che richiedono un'antenna di piccole dimensioni o un collegamento di processo

Installazioni in cui è necessario minimizzare le interferenze da pareti o strutture

Misurazioni a lungo raggio che richiedono un efficace focalizzazione del fascio

Una frequenza più elevata non implica automaticamente una maggiore accuratezza per ogni strumento. Le prestazioni effettive dipendono inoltre dal range dinamico, dal trattamento del segnale, dalla riflettività del mezzo, dalla progettazione dell'antenna e dalle condizioni di installazione.

– 7. In quali casi è opportuno considerare l'uso di un radar a frequenza più bassa o di un radar a onde guidate?

Il radar a bassa frequenza continua a trovare applicazioni importanti, nonostante l'ampio utilizzo di 80GHz tecnologia. In processi caratterizzati da schiuma persistente, forte condensazione, condizioni insolite nella fase gassosa o l'uso di mezzi a bassa costante dielettrica, può risultare utile confrontare un radar a bassa frequenza senza contatto,80GHz radar e radar a onde guidate

Il principio ingegneristico corretto non è pertanto «una frequenza più elevata è sempre preferibile», bensì selezionare la tecnologia radar in base alla riflettività del mezzo, alla presenza di schiuma, alla condensazione, alla portata di misurazione e alle condizioni di installazione.

8. Metodi di installazione comuni per i radar a non contatto

I trasmettitori radar a distanza sono normalmente installati dalla sommità di un navicello, di un serbatoio o di un silo, mediante collegamento filettato, flangia, supporto di montaggio o altro tipo di collegamento di processo idoneo. L'antenna deve disporre di un percorso di misurazione libero da ostacoli e, in generale, deve essere orientata verso la superficie media del materiale il più direttamente possibile.

Evitare i flussi di riempimento

Non dirigere il radar direttamente verso corpi solidi in caduta, flussi di liquidi in ingresso o getti ad alta velocità.

Evitare ostacoli interni di grandi dimensioni.

Laddove possibile, evitare agitatori, travi strutturali, scale, bobine di riscaldamento e tubazioni interne.

Tenere conto della distanza dalla parete del recipiente.

Non montare il radar in modo innecessario in prossimità della parete. La distanza corretta dipende dall'angolo del fascio e dalle istruzioni di installazione del prodotto.

Verificare le dimensioni del ugello

Un ugello lungo o stretto può generare riflessioni aggiuntive e deve rispettare le dimensioni consentite del modello selezionato.

9. L'indicazione di orientamento della flangia deve sempre puntare verso la parete del serbatoio?

No. Alcuni trasmettitori radar presentano una marca di orientamento sulla flangia, sull'antenna o sul corpo del trasmettitore, e il produttore può specificare una direzione particolare rispetto alla parete della nave, alla apertura di bypass o alla struttura interna. Tuttavia, tale requisito dipende dalla progettazione dell'antenna, dalla sua polarizzazione e dal tipo specifico di strumento.

Se il prodotto include un indicatore di orientamento, quest'ultimo deve essere installato secondo le istruzioni relative a quel modello specifico, anziché applicare la regola universale «verso il muro» a tutti i trasmettitori radar.

10. Come va installato il radar in un silo a materiale solido in grande quantità?

La superficie dei solidi massivi di solito non è orizzontale e può formare un angolo di riposo. Il processo di riempimento può inoltre generare polvere e provocare una variazione continua della geometria del materiale. Per questo motivo, il radar non dovrebbe essere installato direttamente sopra il flusso di riempimento.

Il punto di installazione deve garantire un livello medio rappresentativo e un eco stabile.Nei silos alti o complessi, può essere impiegata una flangia regolabile o un altro sistema di regolazione dell'angolo, qualora il prodotto lo consenta, in modo da orientare il fascio radar in maniera più efficace verso la superficie bersaglio.

Se l'eco è influenzata da pareti, travi di sostegno o altre strutture fisse, è possibile utilizzare la soppressione degli eco falsi per ridurre l'effetto di tali riflessioni stazionarie.

11. Cos'è la soppressione degli eco falsi?

I segnali radar possono essere riflessi non solo dalla superficie del materiale, ma anche dalle pareti dei contenitori, dalle travi strutturali, dai tubi, dagli agitatori e da altri elementi interni. Tali riflessioni fisse possono essere interpretate erroneamente come indicatore del livello di processo.

I trasmettitori radar per il rilevamento del livello moderni offrono spesso funzioni di soppressione degli eco falsi o di apprendimento dell'eco. Tali funzioni identificano e memorizzano le posizioni o le caratteristiche dei riflessi fissi, consentendo all'apparecchio di ridurre il loro impatto sulla misurazione effettiva del livello.

La soppressione degli eco falsi è uno strumento di collaudo, non un sostituto di un'installazione corretta. Gli ostacoli che possono essere evitati mediante un posizionamento più accurato del sensore devono essere affrontati in primo luogo nella progettazione dell'installazione.

12. Come viene installato il radar a onde guidate?

Il radar a onde guidate utilizza un'asta o un cavo per guidare l'impulso radar; pertanto, i requisiti di installazione differiscono da quelli del radar a contatto zero. L'asta o il cavo devono generalmente mantenere una posizione verticale e non devono entrare in contatto con la parete della nave, le strutture interne o gli agitatori.

Per le sonde a cavo flessibile impiegate in vaschi di grande profondità, è opportuno considerare anche il movimento della sonda e il suo ancoraggio sul fondo. Il radar a onde guidate può risultare utile in determinate condizioni di schiuma, in mezzi a bassa costante dielettrica, per misurazioni di interfaccia e in applicazioni di bypass; tuttavia, prodotti appiccicosi o soggetti a incrostazione possono accumularsi sulla sonda, aumentando così i requisiti di manutenzione.

13. Quali informazioni devono essere verificate prima della selezione e dell'installazione del radar?

– FAQ;

– Q1: Il radar ad alta frequenza è sempre migliore rispetto a quello a bassa frequenza?

A1: No. Il radar a elevate frequenze offre vantaggi quali un fascio stretto e un'antenna compatta; tuttavia, in alcuni casi – come l'uso in schiuma, in condizioni di elevata condensazione o con mezzi particolari – potrebbero risultare più adatti i radar a frequenze più basse o i radar a onde guidate.

Q2: Perché è 80GHz Esiste un radar adatto ai piccoli carri armati?

A2: Con la stessa o una dimensione di antenna simile,80GHz Il radar può generalmente generare un fascio più stretto e utilizzare un'antenna di dimensioni ridotte, il che ne facilita l'evitamento delle pareti dei vaschi e delle strutture interne.

Q3: Il radar a frequenza più bassa ha una lunghezza d'onda più lunga o più corta?

A3: Una lunghezza d'onda più lunga. Una frequenza più bassa corrisponde a una lunghezza d'onda più lunga, mentre una frequenza più alta corrisponde a una lunghezza d'onda più corta.

Q4: La misurazione del livello tramite radar è influenzata dalla temperatura e dalla pressione?

A4: La propagazione delle onde elettromagnetiche generalmente non è fortemente influenzata dalle variazioni normali di temperatura o pressione dell'aria; tuttavia, lo strumento stesso presenta limiti specifici di temperatura e pressione relativi ai componenti meccanici, ai sistemi di tenuta e ai componenti elettronici.

Q5: Il radar è in grado di misurare mezzi a bassa costante dielettrica?

A5: Sì, tuttavia una costante dielettrica più bassa comporta generalmente una riflessione più debole. Il radar da selezionare deve essere scelto in base al mezzo di processo, considerando un adeguato intervallo dinamico, frequenza e progettazione dell'antenna.

Q6: È possibile installare un trasmettitore di livello radar su un ugello lungo?

A6: Sì, ma il diametro e la lunghezza dell'ugello devono rispettare i requisiti del modello specifico.Un ugello troppo lungo o troppo stretto può generare riflessioni aggiuntive, ridurre l'eco utile o provocare interferenze.

Q7: Dovrebbe un 80GHz Il radar viene sempre utilizzato per silos a materiale solido in grandi quantità?

A7: 80GHz Il radar a fascio stretto è particolarmente adatto per molti silos complessi; tuttavia, nella fase di selezione, è necessario tenere conto della polvere, della portata di misurazione, della forma della superficie del materiale e della riflettività.

Q8: Qual è la differenza principale tra il radar a onde guidate e il radar a contatto zero?

A8: Il radar a contatto non invasivo trasmette onde elettromagnetiche attraverso lo spazio libero verso la superficie del materiale, mentre il radar a onde guidate indirizza il segnale lungo un'asta o un cavo e utilizza pertanto una struttura di misurazione a contatto.

Conclusione

I trasmettitori di livello a radar offrono misurazioni senza contatto, ampia compatibilità con i diversi tipi di fluidi, funzionamento in vuoto e in condizioni operative estreme di temperatura o pressione, nonché un'integrazione agevole con i sistemi di automazione industriale. Tuttavia, le prestazioni effettive restano influenzate dalla riflettività del fluido, dalla presenza di schiuma, dalla condensazione, dall'accumulo di radiazione sull'antenna, dalla geometria del contenitore e dalla posizione del sensore.

I principali vantaggi del radar a alta frequenza sono la lunghezza d'onda più corta, il fascio più stretto e l'antenna di dimensioni ridotte, il che lo rende particolarmente adatto per imbarcazioni di piccole dimensioni, serbatoi complessi e silos per materiali in stato solido. Il radar a frequenza più bassa mantiene comunque un valore in applicazioni specifiche relative alla schiuma, alla condensazione e a mezzi particolari, mentre il radar a onde guidate risulta utile in determinati contesti, quali quelli caratterizzati da bassa costante dielettrica, zone di interfaccia, presenza di schiuma o camere di bypass.

METRAVON I prodotti per la misurazione a radar devono essere selezionati in base al mezzo di processo, all'intervallo di misurazione, alle proprietà dielettriche, alla temperatura di processo, alla pressione di processo, alla presenza di schiuma, vapore o polvere, alla geometria del recipiente e all'interfaccia di uscita richiesta. Una selezione e un'installazione adeguati sono generalmente più importanti rispetto alla semplice scelta della frequenza radar più elevata disponibile.