Radarowy pomiar poziomu FMCW: zalety, montaż i dobór

I. Co to jest miernik poziomu radarowy typu FMCW?

Instrument pomiaru poziomu za pomocą radaru z ciągłą falą modulowaną częstotliwością jest powszechnie nazywany instrumentem radarowym typu FMCW.

Jego podstawowy zasada działania polega na ciągłym zmienianiu częstotliwości transmisji radarowej w określonym zakresie częstotliwości oraz odbieraniu sygnału odbitych od powierzchni pomieranego medium. Instrument analizuje różnicę częstotliwości między sygnałem przesyłanym a sygnałem odbitym w celu obliczenia dystansu od radaru do powierzchni medium, a następnie konwertuje ten dystans na poziom cieczy lub poziom materiału.

Niektóre radarowe urządzenia typu FMCW o częstotliwości 24 GHz wykorzystują szerokość pasma linijowego przeszukiwania wynoszącą około 1 GHz oraz wykonywają okresowe przeszukiwanie przez antenę. Częstotliwości pracy oraz szerokość pasma przeszukiwania różnią się w zależności od modelu; rzeczywiste parametry należy ustalić na podstawie specyfikacji produktu.

II. Jakie są funkcje mierników poziomu radarowych typu FMCW?

1. Nieprzerwne pomiarowanie za pomocą przeszukiwania częstotliwości

Radar typu FMCW mierzy odległość za pomocą ciągłego liniowego przesuwania częstotliwości.

W przeciwieństwie do systemów opartych wyłącznie na sygnału o stałej częstotliwości, radar z sygnałem ciągłym z modulacją częstotliwościową określa pozycję celu na podstawie różnicy częstotliwości między wysyłanym sygnałem a odbitym echo, co czyni go odpowiednim do ciągłego monitorowania poziomu cieczy lub materiału.

2. Zastosowalne do różnych stałych materiałów – przyrządy radarowe do pomiaru poziomu

FMCW mogą być wykorzystane do pomiaru poziomu różnych substancji stałych oraz surowców przemysłowych, w tym:

• – węgiel;

• – cement;

• – zboże;

• Aluminia;

• Kalk;

• Surowce chemiczne;

W sektorach takich jak produkcja cementu, przemysł chemiczny, ochrona środowiska, produkcja energii oraz przetwórstwo żywności, metoda pomiaru radarowego może być wykorzystana do ciągłego monitorowania poziomu w silosach i zbiornikach magazynowych;

3. Niekontaktywne pomiarowanie – radar w wolnym przestrzeni

Urządzenie to mierzy odległość do powierzchni materiału za pomocą fal elektromagnetycznych i zazwyczaj nie wymaga, aby komponenty pomiarowe były w bezpośrednim kontakcie z medium. (

W przypadku proszków, materiałów gruntnych oraz określonych środowisk korozyjnych rozwiązanie to może zmniejszyć problemy związane z zużyciem i konserwacją wynikające z bezpośredniego kontaktu między mechanicznymi komponentami pomiarowymi a medium.

III. Główne zalety instrumentów radarowych do pomiaru poziomu

Zakres zastosowań instrumentów radarowych do pomiaru poziomu (

Zależy od częstotliwości radarowej, typu anteny, możliwości przetwarzania sygnału oraz rzeczywistych warunków eksploatacyjnych; w odpowiednich warunkach eksploatacyjnych główne cechy obejmują: (

• Ciągłe pomiar bezkontaktowe; (

• Odpowiednie do stosowania w przypadku cieczy lub materii stałej;

• Przydatny do pomiaru poziomu na stosunkowo długich dystansach;

• Różne anteny można skonfigurować w zależności od warunków eksploatacyjnych;

• Dostępny do stosowania w środowiskach przemysłowych charakteryzujących się zaprawą, parą lub złożonymi mediami;

• Przydatny do zastosowań w zbiornikach magazynowych, silosowych oraz naczyniach procesowych;

Faktowe parametry wydajności należy ocenić w zależności od konkretnego modelu, rodzaju medii oraz warunków montażowych;

IV. Jakie rodzaje anten są dostępne do stosowania w radarowych przyrządów pomiarach poziomu?

Pomiarodawcy radarowe modelu można wyposażać w różne typy anten w zależności od warunków zastosowania, w tym:

• Anteny typu Horn;

• Anteny paraboliczne;

• Anteny masiwowe;

• Anteny typu stojaka;

• Anteny w kształcie kuleczki;

• Anteny płaskie;

• Anteny z higienicznym dizajnem;

Różne anteny różnią się kątem promienia, wymiarami montażowymi, odpornością na korozję, dostosowalnością do struktury materiału oraz połączeniami procesowymi.

Zatem wybór anteny powinien być dostosowany do warunków transportu i warunków eksploatacyjnych danego miejsca, a nie określać wyłącznie na podstawie zakresu pomiarowego.

V. Jak wybrać model radarowego wznosznika poziomu?

Podczas wyboru modelu radarowego wznosznika poziomu należy starannie ocenić rzeczywiste środowisko pomiarowe.

Należy zweryfikować następujące warunki eksploatacyjne:

• Czy nad medium występują korozywne gazy pochodzące z wodorotlenku;

• Czy obecne są duże ilości par wody;

• Czy obecne są duże ilości pyłu;

• Czy środowisko jest podatne na krystalizację;

• Czy na powierzchni cieczy występuje duża ilość pianie;

• Czy powierzchnia cieczy znacznie wahająca się;

• Czy mierzone materiało jest proszkiem lub materiałem ziarnistym;

• Czy ciecz charakteryzuje się wysoką korozyjnością;

• Czy środowisko posiada wysoką lepkość.

Ponadto należy potwierdzić również następujące parametry:

• Maksymalna odległość pomiarowa;

• Temperatura procesu;

• Ciśnienie procesu;

• Połączenie instalacyjne;

• Typ anteny;

Domyślny zakres pomiarowy stanowi tylko jeden z parametrów przy wyborze radaru i nie powinien być wykorzystywany jako jedyna podstawa do wyboru modelu;

VI. Co należy wziąć pod uwagę podczas instalacji radarowego pomiarownika poziomu typu Guided Wave?

Radar z sygnałem kierowanym wykorzystuje pręt pomiarowy lub stalowy kabel do kierowania sygnałem radarowym; zatem oprócz instalacji elektrycznej należy również zważyć na mechaniczną pozycję elementu sygnału kierowanego.

1. Odłączenie zasilania przed wymianą przyrządu

Przed usuwaniem oryginalnego przyrządu pomiarowego lub przeprowadzeniem prac z przewodnictwem elektrycznym odłącz zasilanie przyrządu oraz obsłuż przewody sygnałowe zgodnie z przepisami bezpieczeństwa elektrycznego stosowanymi na miejscu.

Włączenie zasilania należy dokonać po zakończeniu i zweryfikowaniu instalacji oraz przewodnictwa elektrycznego.

2. Unikaj wejści i obszarów charakteryzujących się silnymi zakłóceniami.

Radar z falami kierowanymi nie powinien być instalowany bezpośrednio przy wejściach do wody, wejściach do zasilania lub na miejscach, gdzie powierzchnia cieczy znacznie się zmienia.

Przychodząca ciecz lub materiał może dotknąć sondy lub stalowego kabla, co może prowadzić do wahania wyników pomiarów.

Podczas instalacji należy zapobiegać bezpośredniego kontaktu elementu fal kierowanych z następującymi konstrukcjami:

• Ściany basenu;

• Ścianki zbiornika;

• Podpory;

• Rury;

• Inne konstrukcje metalowe;

3. Zabezpieczenie odpowiedniego odległości wokół probki lub stalowego kabla

W przypadku kontaktu stalowego kabla o prowadzonych falach z metalową ścianą mogą wystąpić dodatkowe odbicia, a w miarę upływu czasu może również wystąpić zużycie mechaniczne.

Zatem element o prowadzonych falach należy poprawnie pozycjonować podczas montażu, zachowując odpowiedni odstęp zgodnie z rzeczywistą konstrukcją pojazdu.

Specyficzna odległość montażowa należy określić zgodnie z instrukcją użytkowania przyrządu oraz rzeczywistą konstrukcją lokalizacji.

VII. Jak należy zabezpieczyć kable przed wodoodpornością w przypadku radarów z metodą Guided Wave do użytku na zewnątrz?

W środowiskach zewnętrznych lub wilgotnych punkt wejścia kabla należy traktować jako obszar wymagający szczególnej ochrony.

Podczas instalacji kabeli należy wziąć pod uwagę następujące zasady:

• Sikurnie kablejową mocno zaciągnij;

• Poprawnie zabezpieczaj połączenia kanałów przewodowych;

• Zabezpieczaj wodoodporność obudowy urządzenia;

• Poprawnie zainstaluj kabły z ochroną przewodową;

• – wdrożź kabl z kątem spadkowym przed wejściem kabla do urządzenia;

– kabl z kątem spadkowym pozwala kablowi uformować nachylenie w dół przed wejściem do urządzenia;

– umożliwia spływanie wody deszczowej lub kondensatu z najniższego punktu, co redukuje ryzyko, że woda przepłynie wzdłuż kabla do obudowy urządzenia.

VIII. Co należy wziąć pod uwagę podczas testowania izolacji kabeli sygnałowych?

Niektóre projekty instalacji przemysłowych wymagają przeprowadzenia testu izolacji po zainstalowaniu kabeli sygnałowych.

Na przykład niektóre specyfikacje projektowe mogą wymagać:

• 500 V VDC – napięcie testowe;

• Trwałość testu: 60 s;

• Odporność izolacyjna ≥ 20 MΩ.

– to specyficzne wymagania przyjmowania projektu i nie stanowią uniwersalnych parametrów dla wszystkich projektów pomiarów poziomu za pomocą radarów.

– przed przeprowadzeniem testu izolacyjnego upewnij się, że elektronika przyrządu została odłączona od obwodu. Testowanie należy przeprowadzić zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu oraz specyfikacjami elektrycznymi projektu, aby uniknąć uszkodzenia sprzętu elektronicznego przez napięcie testowe.

IX. Jak należy zainstalować kablową konfigurację radarowego miernika poziomu?

Radarowe instrumenty do pomiaru poziomu mogą być wyposażone w różne konfiguracje zasilania oraz wyjścia sygnału.

Przed dokonaniem montażu kablowego zawsze sprawdź:

• Etykietę instrumentu;

• Napięcie zasilania nominalne;

• Zasilanie prądem AC lub DC; Definicje terminali

• Polaryzacja sygnału

• Terminal ziemienia

Nie należy przeprowadzać montażu kablowego wyłącznie na podstawie doświadczenia z innymi modelami przyrządów;

Niektóre dokumenty dotyczące montażu pomiarów poziomu radarowego zalecają stosowanie kabla o zabezpieczonym parowym układzie z przekrojem przewodnika wynoszącym około 0,5 mm²–2 mm².

Faktyczną specyfikację kablego należy określić zgodnie z:

• Źródło napędowe przyrządu;

• Typ sygnału;

• Distancja kablego;

• Elektryczne normy stosowane na miejscu;

X. Typowa procedura złączenia kabla do typowego radarowego miernika poziomu

Podczas montażu na miejscu procedura ta obejmuje zazwyczaj następujące kroki:

1. Odłączyć zasilanie;

2. Sprawdzić etykietę urządzenia oraz wymagania dotyczące zasilania;

3. Otwórz kompartament terminali urządzenia;

4. Wstawić kabel do urządzenia poprzez zatrzask kabelowy;

5. Złączyć kable zasilania i sygnału zgodnie z oznaczeniami terminali;

6. Zastosuj ochronę i połączenie z ziemią zgodnie z specyfikacjami elektrycznymi;

7. Ponownie sprawdź przewody i polarność;

8. Przygniecz węzeł kabla;

9. Sprawdź szczelność obudowy;

10. Odzapłacz energię po potwierdzeniu, że wszystko jest prawidłowo.

Specyfikacja długości odszywania przewodów, specyfikacje narzędzi oraz procedury obsługi terminali należy wykonywać zgodnie z podręcznikiem dla odpowiedniego modelu.

XI. Dlaczego pomery poziomu radarowe wymagają ochrony i połączenia z ziemią?

Obszary przemysłowe mogą zawierać silniki, napędy o zmiennej częstotliwości, pompę, kabły o dużej mocy oraz inne urządzenia elektryczne, które mogą generować zakłócenia elektromagnetyczne.

Poprawne stosowanie ochronnych kablów oraz połączenia z ziemią może przyczynić się do poprawy stabilności transmisji sygnału.

To, czy ochrona kabla powinna być realizowana za pomocą połączenia z ziemią w jednym punkcie czy innej metody połączenia z ziemią, należy określić zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu oraz wymogami projektu elektroinstalacji.

Nieprawidłowe połączenie z ziemią w wielu punktach może prowadzić do powstawania pętli ziemskich; dlatego jednolita metoda połączenia z ziemią nie powinna być stosowana w każdej instalacji.

XII. W czym jest założenie norm związanych z przyrządami radarowymi do pomiaru poziomu?

– Normy dotyczące przyrządów radarowych do pomiaru poziomu są przeznaczone przede wszystkim do regulacji projektowania, produkcji, testowania, instalacji oraz zastosowań w sektorze przemysłowym;

– Projektowanie inżynieryjne powinno skupiać się na wymaganiach dotyczących:

• Bezpieczeństwo elektryczne;

• Ochrona przed wybuchami;

• Ochrona środowiska;

• Montaż;

• Interfejsy sygnałowe;

• Techniczne specyfikacje projektowe;

Celem norm jest nie tylko dodawanie treści do opisu produktu, lecz również pomaganie w potwierdzeniu, czy instrument spełnia wymagania techniczne i bezpieczeństwo związane z konkretnym projektem.

XIII. Lista kontroli do wyboru radarowego pomiarowca poziomu

Często zadawane pytania

Q1: Co to jest radarowy pomiar poziomu w cieczy typu FMCW?

Zapewniający radar ciągle zmienia częstotliwość nadawanej sygnału oraz analizuje różnicę częstotliwości między sygnałem nadawanym a odbitym sygnałem w celu obliczenia dystansu, który następnie konwertowany jest na poziom płynu lub materiału.

Q2: Czy wszystkie zapewniające radarowe przyrządy pomiaru poziomu wykorzystują częstotliwość 24 GHz?

Częstotliwość 24 GHz jest jedyną częstotliwością roboczą stosowaną w niektórych produktach. Różne zapewniające radarowe przyrządy pomiaru poziomu mogą wykorzystywać różne częstotliwości robocze oraz szerokość pasma przeszukiwania. Specyficzne parametry należy potwierdzić z odpowiedniego dokumentu technicznego produktu.

Q3: Dlaczego stalowy kabel radarowego radaru falowego powinien unikać kontaktu z ścianą zbiornika?

– kontakt między stalowym kabelem a konstrukcjami metalicznymi może powodować dodatkowe odbicia, podczas gdy długotrwałe tarcie może również spowodować zużycie mechaniczne. Z tego względu podczas montażu należy zachować odpowiedni odstęp.

Q4: Czy radarowy miernik poziomu musi być wyposażony w kabel o przekroju 0,5–2 mm²?

Nie zawsze. Ten zakres jest określony dla określonych produktów. Realna specyfikacja kablego powinna być określona zgodnie z specyfikacją urządzenia, dystansem kablego oraz lokalnymi standardami elektrycznymi.

Q5: Czy wystarczy jedynie potwierdzenie zakresu pomiarowego przy wyborze radarowego pomiarownika poziomu?

Nie. Należy również potwierdzić warunki medium, temperatury, ciśnienia, pyłu, par, korozji, krystalizacji, pianie, viskozności, połączenia instalacyjnego oraz innych warunków eksploatacyjnych.

Q6: Dlaczego kabel radarowego miernika poziomu do zastosowań zewnętrznych powinien posiadać system odprowadzania wody?

System odprowadzania wody redukuje ryzyko, że woda deszczowa lub kondensat przepłyną przez kabel do otworu wejścia kabelu instrumentu, a także pomaga w zwiększeniu nieprzeciwko wodnej niezawodności instalacji zewnętrznych.

Wnioski:

Instrumenty radarowe do pomiaru poziomu (FMCW) pomierają odległość za pomocą liniowych sygnałów radarowych z przesuwną częstotliwością i mogą być wykorzystane do monitorowania poziomu węgla, cementu, zboż, aluminii, wapienia, surowców chemicznych oraz innych medium.

W praktycznych zastosowaniach wydajność pomiaru poziomu za pomocą radarowego czujnika nie zależy tylko od zakresu pomiarowego, ale jest również ściśle powiązana z następującymi czynnikami: charakterystykami medium

Pyłem, parą, korozją, krystalizacją, pianam, typem anteny oraz warunkami montażu.

Podczas montażu radaru z falami prowadzonymi należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby pręt czujnika lub stalowy kabel byli prawidłowo umieszczone i nie kontaktowały się z otaczającymi je strukturami metalicznymi.

W przypadku montażu instalacji elektrycznych należy zwrócić szczególną uwagę na:

Zasilanie, skrzywyki, ochronę, połączenie z ziemią oraz szczelność wejścia kabla.

Specyficzne wymiary, charakterystyka kablów, parametry testów oraz metody przewodnictwa powinny być określone zgodnie z dokumentem technicznym, podręcznikiem montażowym oraz specyfikacjami elektrycznymi projektu dla odpowiedniego aparatu pomiarowego poziomu radarowego.