Radar czy ultradźwięki do pomiaru poziomu wody? Porównanie technologii

1. Różnice w fizycznych mechanizmach pomiarowych i zasadach operacyjnych pomiaru poziomu przemysłowego

W dziedzinie inżynierii hydraulicznej, komunalnych systemów wodnych oraz kontroli procesów przemysłowych pomiar poziomu ciągłego jest podstawowym elementem zautomatyzowanych systemów monitorowania i gromadzenia danych, takich jak SCADA. Chociaż mierniki poziomu wody radarowej i ultradźwiękowe mierniki poziomu wody mogą zapewnić standardowe wyjścia analogowe 4- 20 mA lub sygnały cyfrowe RS- 485 Modbus RTU, istnieją zasadnicze różnice w ich podstawowych fizycznych mechanizmów transmisji fal.

1. 1 Radar Water Level Meter: Wysokoczęstotliwościowy Elektromagnetyczny Mechanizm Przesyłu Wave

Mierniki poziomu wody radarowej, w tym impuls niekontaktowy / radar FMCW i radar fal sterowanych (GWR), działają na podstawie propagacji fal elektromagnetycznych. Antena radarowa transmituje fale elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości, zazwyczaj 26 GHz lub 80 GHz mikrofale, lub impulsy TDR wysokiej częstotliwości. Fale elektromagnetyczne poruszają się w powietrzu lub wzdłuż ścieżki pomiarowej z prędkością światła około 3 × 10⁸ m/s.

Gdy fala elektromagnetyczna dociera do powierzchni mierzonego płynu, część fali odbija się z powodu braku ciągłości w stałej dielektrycznej między powietrzem a mierzonym medium. Fala odbita jest odbierana przez antenę. System oblicza odległość D od płaszczyzny odniesienia czujnika do powierzchni cieczowej poprzez pomiar różnicy czasu Δt między transmisją a odbiorcą, przy użyciu technologii odblaskowej w domenie czasowej (TDR) lub częstotliwości modulowanej ciągłej fali (FMCW):

D = (c × Δt) / 2

Ponieważ propagacja fal elektromagnetycznych nie wymaga nośnika gazu jako nośnika transmisji, mierniki poziomu wody radarowej mogą również normalnie działać w próżni. Na ich prędkość rozprzestrzeniania nie wpływa gęstość gazu, temperatura, ciśnienie lub stężenie pary.

Proces pomiaru radaru

Etap 1 - Przekazanie:Antena radarowa emituje fale elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości.

Krok 2 - Rozmnażanie:Fale elektromagnetyczne poruszają się w przybliżeniu z prędkością światła i nie wymagają powietrza lub innego nośnika gazu jako nośnika propagacji.

Etap 3 - Odbicie:Gdy fale elektromagnetyczne docierają do powierzchni ciekłej, część sygnału odbija się z powodu różnicy w stałej dielektrycznej εr pomiędzy powietrzem a mierzonym medium.

Krok 4 - odbiór:Antena radarowa odbiera odbity sygnał echa.

Krok 5 - Obliczanie odległości:Instrument oblicza różnicę czasu rozprzestrzeniania Δt i określa odległość przy użyciu

D = (c × Δt) / 2.

1. 2 Wskaźnik poziomu wody ultradźwiękowej: Mechaniczny mechanizm akustyczny wysokiej częstotliwości

Ultradźwiękowe mierniki poziomu wody wykorzystują efekt elektrostrykcji kryształów piezoelektrycznych do generowania fal dźwiękowych wysokiej częstotliwości, zazwyczaj fal mechanicznych w zakresie 20 kHz- 200 kHz. Fale dźwiękowe rozprzestrzeniają się w dół przez powietrze z prędkością dźwięku v. Po dotarciu do powierzchni ciekłej powstaje odbicie akustyczne spowodowane brakiem ciągłości impedancji akustycznej. Przetwornik, lub sonda, otrzymuje echo i przekształca go w sygnał elektryczny. Odległość oblicza się za pomocą następującego wzoru:

D = (v × Δt) / 2

Fale dźwiękowe to fale mechaniczne, a ich rozprzestrzenianie zależy w dużym stopniu od transferu energii poprzez kolizje pomiędzy cząsteczkami gazu. Prędkość dźwięku v w powietrzu jest znacząco wpływa na temperaturę gazu. Wzór przybliżonej szybkości rozmnażania idealnego powietrza to:

v ≈ 331.5 + 0.607 × T (m/s)

gdzie T oznacza temperaturę otoczenia w stopniach Celsjusza (° C). Mimo że przemysłowe nadajniki ultradźwiękowe zwykle zawierają czujnik kompensacji temperatury w PT100, zmiany prędkości akustycznej mogą nadal powodować błędy pomiarowe w środowisku zewnętrznym lub przemysłowym, gdzie występują gradienty temperatury, stratyfikacja gazu lub wysokie prędkości wiatru.

Proces pomiaru ultradźwiękowego

Etap 1 - Przekazanie:Przetwornik piezoelektryczny emituje wysokiej częstotliwości mechaniczne fale dźwiękowe.

Krok 2 - Rozmnażanie:Fale dźwiękowe przemieszczają się przez powietrze lub inne medium gazowe z miejscową prędkością dźwięku.

Etap 3 - Odbicie:Kiedy fale dźwiękowe docierają do powierzchni cieczy, akustyczne różnice impedancji powodują odbicie części energii dźwiękowej.

Krok 4 - odbiór:Przetwornik otrzymuje odbite echo akustyczne i przekształca je w sygnał elektryczny.

Krok 5 - Obliczanie odległości:Przyrząd stosuje kompensację temperatury do prędkości dźwięku i oblicza odległość przy użyciuD = (v × Δt) / 2.

2. Porównanie kluczowych parametrów inżynieryjnych i wartości granicznych eksploatacyjnych

W celu uzyskania dokładnego doboru urządzeń do zastosowań przemysłowych w zakresie pomiarów i monitorowania hydraulicznego, poniższa tabela porównuje parametry techniczne przemysłowych radarowych mierników poziomu wody METRAVON i ultradźwiękowych mierników poziomu wody w wymagających warunkach eksploatacji:

3. Analiza zakłóceń ze złożonych czynników środowiskowych

3. 1 Różnice gęstości gazu, pył i parownik

Licznik poziomu wody ultradźwiękowej:Gdy fale dźwiękowe przechodzą przez wysokie stężenia pyłu, takie jak te występujące w silosach cementowych lub kanałach górniczych, lub przez wysokie stężenia pary wodnej, takie jak w wieżach chłodniczych elektrowni lub zbiornikach mieszających asfalt, duża ilość energii akustycznej może być rozproszona i absorbowana przez zawieszone cząstki. Powoduje to poważne tłumienie sygnału i może nawet spowodować całkowitą utratę echa. Ponadto, jeżeli w zbiorniku występuje stratyfikacja gazu lub nierównomierna gęstość gazu, może dojść do załamania akustycznego z powodu zmian prędkości dźwięku, co prowadzi do istotnych błędów systematycznych pomiarów.

Wskaźnik poziomu wody radarowej:Mikrofale mają silne możliwości rozprzestrzeniania i nie są fizycznie dotknięte przez pył, pary wodnej lub zawieszonej mgły. Charakterystyka rozprzestrzeniania się radaru fal milimetrowych 80 GHz pozwala na niezawodne zwrócenie odbicia powierzchni płynnych nawet w bardzo zakurzonych lub nienasyconych warunkach pracy.

3. 2 płynne fale powierzchniowe i turbulencja

Licznik poziomu wody ultradźwiękowej:Kiedy mechaniczne fale dźwiękowe napotkają silnie zmienną ciecz lub ciecz pokrytą dużą ilością piany, może wystąpić rozproszone odbicie. W rezultacie większość odbitej energii akustycznej nie może wrócić do sondy wzdłuż pierwotnej ścieżki rozmnażania, co może powodować zaślepienie lub utratę pomiaru.

Wskaźnik poziomu wody radarowej:Nadajniki radarowe wysokiej częstotliwości integrują zaawansowane algorytmy dynamicznego śledzenia, takie jak tłumienie echa i filtrowanie fałszywego echa. Nawet gdy ciecz jest toczona, turbulencyjna lub pokryta pianką lekką, mierniki poziomu wody radarowej METRAVON mogą nadal identyfikować i śledzić prawdziwe echo powierzchni ciekłej z szumu tła.

3. 3 Konstrukcje zbiornika wewnętrznego i kąt belki montażowej

Kąt wiązki nadajnika ultradźwiękowego wynosi zazwyczaj między 6 ° a 12 °, co oznacza, że energia przekazywana jest stosunkowo rozproszona. Kiedy żebra, rury, drabiny, pompy lub inne konstrukcje wewnętrzne są obecne wewnątrz zbiornika lub dobrze mierzące, fale dźwiękowe mogą łatwo odbijać się od tych przeszkód i generować fałszywe sygnały poziomu.

Mierniki poziomu wody radarowej METRAVON 80 GHz mogą zmniejszyć kąt wiązki przesyłowej do około 3 °. Wysoce skoncentrowana i niezwykle wąska belka może łatwiej uniknąć wewnętrznych konstrukcji zbiornika i wąskich dysz montażowych, przejść bezpośrednio w kierunku powierzchni ciekłej, a także znacznie zmniejszyć ograniczenia instalacji-przestrzeni w zastosowaniach polowych.

4. Zalecenia dotyczące wyboru typowych zastosowań przemysłowych

Podczas udzielania zamówień inżynieryjnych i projektowania projektów należy wybrać odpowiednią technologię zgodnie ze średnią charakterystyką, dostępną przestrzenią instalacyjną oraz budżetem projektu:

Proces wyboru pomiaru poziomu

Krok 1 - Ocena środowiska procesów:Określ, czy aplikacja obejmuje silny pył, opary, wysoką temperaturę, wysokie ciśnienie, ograniczoną przestrzeń instalacyjną lub niskodielektryczne stałe nośniki.

Krok 2 - Harsh Industrial Conditions:Dla wysokiego pyłu, ciężkiej pary, wysokiej temperatury lub wysokiego ciśnienia, wybraćNadajnik poziomu radaru niekontaktowego 80 GHz, takich jak METRAVON R- 80 Series.

Krok 3 - Ograniczona przestrzeń lub stała dielektryczna:Dla małych statków, zamkniętych pomieszczeń lub niskodielektrycznych stałych mediów, rozważyćradar fal kierowanych (GWR), takich jak METRAVON GWR- 70.

Krok 4 - Ogólne aplikacje wody i Open- Channel:W przypadku klimatyzacji, ciśnienia atmosferycznego zastosowania wody bez poważnych zakłóceń pary lub środowiska,ultradźwiękowy miernik poziomu wody, takich jak METRAVON UT- 20, może stanowić opłacalne rozwiązanie.

4. 1 Aplikacje, gdzie Ultradźwiękowe mierniki poziomu wody są preferowane

Odwodnienie komunalne i pomiar hydraulicznego przepływu openkanałowego:W otwartych opałach Parshall, trójkątnych strumieniach i zastosowaniach monitorowania poziomu wody rzecznej bez zakłóceń pary, ultradźwiękowe mierniki poziomu wody oferują doskonałą wydajność kosztową. Ich instalacja bezkontaktowa eliminuje również wymogi dotyczące konserwacji związane z korozją.

Temperatura otoczenia, ciśnienie atmosferyczne zbiorników wody i zbiorników wody oczyszczonej:Technologia ultradźwiękowa może zapewnić stabilne i niezawodne pomiary przy jednoczesnym kontrolowaniu ogólnych kosztów projektu, w przypadku oczyszczalni ścieków, zbiorników i rolniczych kanałów nawadniania bez gwałtownych wahań temperatury lub silnego działania fal.

4. 2 Aplikacje, w których Radar Water Level Meters są preferowane

Zbiorniki górnicze i cementownie z pyłem:Środowiska high-dust może spowodować ultradźwiękowe pomiaru do awarii całkowicie. Nadajnik radarowy 80 GHz jest standardowym wyborem dla ciągłego pomiaru w zastosowaniach wysokopyłowych.

Zbiorniki do mieszania asfaltu, zbiorniki do składowania węglowodorów oraz zasobniki chemiczne:W przypadku lotnych związków organicznych (LZO), wysokich stężeń par i środowisk wysokotemperaturowych powyżej 80 ° C, mierniki poziomu wody radarowej nie podlegają zmianom właściwości refrakcji par w taki sam sposób jak przyrządy ultradźwiękowe.

Wąskie studnie głębinowe i reaktory o złożonych mieszalnikach:Zawężony kąt wiązki radaru 80 GHz pozwala sygnałowi przejść przez zamknięte przestrzenie i dotrzeć do powierzchni ciekłej, unikając jednocześnie fałszywych echa generowanych przez agitatory.

Stałe płyny niskoprądowe, takie jak skroplony gaz i lekkie produkty naftowe:Wybierz miernik poziomu wody w radarze fal z przewodem METRAVON (GWR). Poprzez skupienie energii fal elektromagnetycznych wzdłuż sondy metalowej można osiągnąć ciągłe pomiary poziomu milimetrów w zastosowaniach ze stałymi dielektrycznymi na poziomie 1. 4.

FAQ

P1: Dlaczego ultradźwiękowe pomiary poziomu wody mogą różnić się między dniem a nocą, gdy przyrząd jest zainstalowany na zewnątrz?

A:Bezpośrednią przyczyną jest nieskuteczna kompensacja stopni temperatury powietrza. Pomiar ultradźwiękowy zależy od prędkości dźwięku, a prędkość dźwięku zmienia się z temperaturą. Na każde 1 ° C wzrost temperatury prędkość dźwięku wzrasta o około 0. 6 m / s. Chociaż czujnik posiada element kompensacji temperatury, kompensacja może stać się niedokładna, gdy bezpośrednie promieniowanie słoneczne ogrzewa obudowę sondy tak, że wewnętrzna temperatura czujnika jest znacznie wyższa od rzeczywistej temperatury powietrza wzdłuż ścieżki akustycznej rozprzestrzeniania. Może to skutkować odchyleniem pomiarowym.

Zalecenie dotyczące zamówień:Zewnętrzne ultradźwiękowe mierniki poziomu wody powinny być wyposażone w tarczę promieniowania słonecznego. W przypadku zastosowań z dużą dokładnością monitorowania hydrologicznego zaleca się zastosowanie miernika poziomu wody radarowej METRAVON 80 GHz, który nie jest w ten sam sposób oddziaływany na pole temperatury powietrza.

P2: W jaki sposób niska stała dielektryczna lub niska εr wpływa na miernik poziomu wody radarowej i w jaki sposób można rozwiązać ten problem?

A:Stała dielektryczna określa proporcję energii elektromagnetycznej odbitej od średniej powierzchni. Kiedy stała dielektryczna jest bardzo niska, np. diesel z εr około 2. 1 lub gaz skroplony z εr w przybliżeniu 1. 4, duża część energii mikrofalowej bez kontaktu może przeniknąć przez podłoże zamiast być odbity. To osłabia odbity sygnał i może utrudnić elektroniki odbiornika do identyfikacji prawidłowego echa.

Rozwiązania i warunki wyboru:

Wybierz miernik poziomu wody radarowej METRAVON 80 GHz o wysokiej koncentracji energii przesyłanej.

Wybierz miernik poziomu wody na radarze fal z przewodem METRAVON (GWR), który wykorzystuje sondę koncentryczną lub sondę typu kablego, aby kierować falami elektromagnetycznymi i zminimalizować utratę energii.

Q3: Czy radarowe mierniki poziomu wody mogą całkowicie zastąpić ultradźwiękowe mierniki poziomu wody?

A:Z technicznego punktu widzenia technologia radarowa może zapewnić pełną funkcjonalną wymianę. Liczniki poziomu wody radarowej zapewniają zalety w zakresie dokładności, odporności na temperaturę i ciśnienie, odporności na zakłócenia środowiska, takie jak pył, para, wiatr, i zmiany temperatury, i kontroli kąta beam-.

Zalecenie dotyczące zamówień:Wybór sprzętu powinien równoważyć wymogi techniczne z budżetem projektu. Liczniki poziomu wody ultradźwiękowej zachowują znaczną przewagę kosztową w zwykłych zastosowaniach wodnych pracujących w temperaturze otoczenia i ciśnieniu atmosferycznym bez zakłóceń pary. Jeżeli budżet projektu jest wystarczający lub warunki operacyjne są wymagające, należy rozważyć modernizację całego systemu pomiarowego do radarowych mierników poziomu wody.

P4: Jaki rodzaj miernika poziomu wody zapewnia bardziej stabilny pomiar w zbiornikach do oczyszczania ścieków z dużą ilością piany?

A:Pianka może absorbować energię akustyczną i mikrofalową. Jednak radar fal z przewodem (GWR) zazwyczaj zapewnia największą stabilność w tym rodzaju zastosowania, ponieważ sonda fal z przewodem może przejść bezpośrednio przez warstwę pianki powierzchniowej i zmierzyć prawdziwy interfejs cieczy poniżej za pomocą sygnałów elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości. Jeżeli pomiar bez kontaktu jest obowiązkowy, należy wybrać radar o wysokiej częstotliwości 80 GHz z algorytmami śledzenia multiecho. Liczniki poziomu wody ultradźwiękowej są bardziej prawdopodobne, aby stracić sygnał z powodu rozproszonego odbicia w tych warunkach.

P5: Jaki praktyczny wpływ na pomiar poziomu ma strefa niewidoma?

A:Strefa niewidoma stanowi minimalną odległość bezpośrednio poniżej sondy czujnika, w której nie można wykonać skutecznego pomiaru. Ze względu na czas obrysu przetwornika, ultradźwiękowe mierniki poziomu wody zazwyczaj mają stosunkowo dużą strefę ślepą około 0. 25 m- 0. 8 m. Jeśli poziom cieczy wzrośnie do tej strefy, czujnik może wyjść nieprawidłowy sygnał w pełnej skali, tworząc potencjalne ryzyko przepełnienia zbiornika. Liczniki poziomu wody Radar zazwyczaj mają znacznie mniejszą strefę niewidomą, zazwyczaj około 0. 05 m- 0. 1 m, co może znacznie poprawić użyteczną pojemność zbiornika.

P6: W jaki sposób należy wybrać technologie ultradźwiękowe i radarowe dla zastosowań pomiaru przepływu w kanałach otwartych, takich jak flumy Parshall?

A:Wybierz ultradźwiękowy miernik poziomu wody w następujących warunkach: miejska sztormowa lub kanalizacja otwarta bez znaczącej pary wodnej, bez silnego wiatru i ograniczony budżet projektu.

Wybierz miernik poziomu wody radarowej w następujących warunkach: przemysłowe odprowadzanie ścieków z uwzględnieniem różnic temperatury i pary wodnej, turbulencyjne kanały rzeczne o dużej prędkości lub zbiorniki zewnętrzne silnie dotknięte wiatrem.

Zalecenie dotyczące zamówień:W przypadku kluczowych projektów monitorowania zrzutów prowadzonych przez władze wodne lub parki przemysłowe zaleca się stosowanie systemu pomiaru przepływu openkanałowego radarowego METRAVON w celu poprawy ciągłości przekazywanych danych z monitorowania i wsparcia zgodności regulacyjnej.

P7: W jaki sposób należy wybrać radar fal przewodowych (GWR) i radar wysokiej częstotliwości bez kontaktu?

A: Radar z przewodnikiem:Nadaje się do bardzo lepkich lub przylepnych nośników, bardzo niskodielektrycznych stałych cieczy, wąskich zbiorników z ciężkim pobudzeniem, lub stałych-płynnych pomiarów interfejsu, takich jak pomiar poziomu osadu w zbiornikach osadowych.

Radar niekontaktowy:Nadaje się do bardzo żrących cieczy, w których należy unikać korozji sondy, lepkich lub krystalizujących nośników oraz higienicznych zbiorników do przechowywania żywności lub leków, gdzie bezpośredni kontakt sondy z medium nie jest dozwolony.

Wniosek

Nie ma absolutnej wyższości między radarowymi miernikami poziomu wody i ultradźwiękowymi licznikami poziomu wody. Kluczową kwestią jest dostosowanie zasady pomiaru do rzeczywistych warunków eksploatacji. Ze względu na wysoką efektywność kosztową, ultradźwiękowe mierniki poziomu wody pozostają praktycznym rozwiązaniem dla zwykłych zastosowań wody openkanałowej i konwencjonalnych zbiorników wodnych pracujących w temperaturze otoczenia i ciśnieniu atmosferycznym. Metrów poziomu wody radarowej, szczególnie radarów mikrofalowych o wysokiej częstotliwości 80 GHz i technologii radaru fal z przewodnikiem, stały się krytycznymi instrumentami pomiarowymi dla złożonych procesów przemysłowych, niebezpiecznych zbiorników magazynowych i monitorowania hydrologicznego wysokiej dokładności ze względu na ich silną odporność fizyczną na zakłócenia od temperatury, wilgotności, ciśnienia, pary i pyłu.

Jako dostawca rozwiązań do pomiaru procesów przemysłowych i monitorowania hydraulicznego METRAVON oferuje kompletny asortyment produktów obejmujący radar wysokiej częstotliwości 80 GHz, radar falowy z przewodnikiem oraz przetworniki poziomu ultradźwiękowego. METRAVON zapewnia również dopasowany dobór sprzętu i wsparcie integracji sygnału dla złożonych warunków pracy. Aby zoptymalizować swoje rozwiązanie pomiarowe poziomu lub uzyskać szczegółowe specyfikacje techniczne i ceny projektu, skontaktuj się z zespołem inżynierii technicznej METRAVON.

Zasoby powiązane

Liczniki poziomu radaru · Pomiar poziomu

Autor: Arvin · Source: METRAVON Instruments