Guia de Seleção de medidores de nível por radar de Mineração

1. Princípios técnicos fundamentais e tipos de transmissores de radar de mineração

Na engenharia de mineração, usinas de preparação de carvão, bunkers de carvão de usinas de energia e instalações de armazenamento de materiais metalúrgicos, o monitoramento contínuo de nível de material é fundamental para a alimentação automatizada e prevenção de enchimento excessivo de bunker e transbordamento de material. A medição do nível de mineração deve operar em condições duras envolvendo altas concentrações de poeira, alta umidade, ângulo de repouso do material e forte impacto mecânico. Os transmissores de nível de radar industrial METRAVON utilizam principalmente os seguintes dois mecanismos de medição física:

1. 1 Radar de onda guiado por reflectometria de domínio temporal (TDR/GWR)

Os transmissores de nível de radar de onda guiados operam de acordo com o princípio da Reflectometria de Domínio do Tempo (TDR). Pulsos eletromagnéticos de alta frequência viajam ao longo de um cabo de aço guiado ou haste de sonda. Quando um pulso eletromagnético atinge a superfície do material medido, como pó de carvão ou partículas minerais, parte da energia do pulso é refletida devido à mudança súbita na constante dielétrica (Dielectric Constant, εr) do meio. A energia refletida forma um eco e viaja de volta ao longo do elemento guiado para o receptor.

A distância D entre o transmissor e a superfície do material é proporcional ao tempo de propagação da onda eletromagnética Δt e é calculada utilizando a seguinte fórmula:

D = (c × Δt) / 2

em que c é a velocidade da luz, aproximadamente 3 × 10⁸m/s. Como o radar de ondas guiadas utiliza um condutor para guiar a energia eletromagnética, a atenuação do sinal é muito baixa, tornando-a particularmente adequada para as embarcações de armazenamento de mineração contendo materiais com constantes dielétricas relativamente baixas ou para aplicações com espaço de medição extremamente limitado.

Processo de medição do radar de onda guiado (TDR)

Passo 1 – Geração de pulsos:O transmissor gera um pulso electromagnético de alta frequência.

Passo 2 – Propagação Guiada:O pulso viaja ao longo do cabo de aço ou haste de sonda em direção à superfície do material.

Etapa 3 – Reflexão de superfície:Quando o pulso atinge a superfície do material, a mudança na constante dielétrica εr faz com que parte da energia eletromagnética seja refletida.

Passo 4 – Echo Return:O pulso refletido viaja de volta ao longo do mesmo elemento guiado para a eletrônica receptora.

Etapa 5 – Cálculo de Distância:O instrumento mede a diferença de tempo de propagação Δt e calcula a distância do material utilizando

D = (c × Δt) / 2.

1. 2 Radar de onda contínua modulada por frequência (FMCW)

Transmissores de nível de onda contínua (FMCW) modulados por frequência, como radar de alta frequência METRAVON 80 GHz, usam tecnologia de medição sem contato. A antena de radar transmite um sinal de microondas cuja frequência aumenta linearmente ao longo do tempo através da modulação de frequência linear.

Após o sinal de microondas atingir a superfície do material, é refletido e recebido pela antena receptora. Como a frequência de sinal transmitida muda continuamente, há uma diferença de frequência Δf entre a frequência de eco recebida e a frequência transmitida atualmente. Esta diferença de frequência é proporcional à distância de medição D:

D = (c × Δf) / (2 × K)

onde K é a taxa de varredura de frequência. Combinado com a frequência de operação extremamente alta de 80 GHz, a tecnologia FMCW fornece uma relação sinal-ruído muito alta e forte capacidade de medição, tornando-se uma tecnologia de medição sem contato preferida para aplicações de mineração de alta poeira e de carvão.

Processo de medição de radar FMCW

Passo 1 – Varredura de Frequência:O oscilador de radar gera um sinal de micro-ondas de 80 GHz cuja frequência aumenta linearmente ao longo do tempo.

Passo 2 – Transmissão:A antena transmite o sinal de microondas modulado por frequência para a superfície do material em massa.

Etapa 3 – Reflexão:O sinal de microondas é refletido a partir da superfície do material, incluindo superfícies inclinadas formadas pelo ângulo de repouso do material.

Passo 4 – Recepção Eco:A antena recebe o sinal refletido de microondas.

Etapa 5 – Cálculo de Distância:A electrónica calcula a diferença de frequência Δf entre os sinais transmitidos e recebidos e determina a distância utilizandoD = (c × Δf) / (2 × K).

2. Critérios de Compra de Chaves e Parâmetros de Seleção para Transmissores de Nível de Radar de Mineração

No que respeita às condições de exploração extremas em operações de mineração subterrânea e de superfície, o pessoal de aquisição e engenharia deve centrar-se nos cinco parâmetros técnicos fundamentais seguintes:

3. Estratégias de seleção do transmissor de nível de radar para condições de mineração complexas

Processo de seleção do transmissor de radar de mineração

Etapa 1 – Identificar o ambiente de armazenamento ou processo:Determine se a aplicação é um bunker de carvão subterrâneo de alta poeira, silo de carvão bruto, funil de alimentação confinado, tanque de águas residuais ou tanque de chorume.

Etapa 2 – Medição de Pó Alto e Sem Contato:Para bunkers de carvão, silos gangue, e aplicações envolvendo poeira grave e ângulo de material de repouso, selecione umTransmissor de nível de radar FMCW de 80 GHz, como o METRAVON FMCW-80M.

Etapa 3 – Espaço restrito ou Baixa Constante Dielétrica:Para espaços confinados ou meios com constantes dielétricas baixas, selecione umradar de ondas guiadas de alta intensidade, como o METRAVON GWR-MINE.

Etapa 4 – Aplicações corrosivas de águas residuais ou lama:Para águas residuais estreitas ou tanques de chorume que exigem medição guiada e resistência à corrosão, considere umatransmissor de nível de radar guiado resistente à corrosão, como o METRAVON GWR-70.

3. 1 Transmissor de nível de radar não-contato de 80 GHz FMCW: Main Coal Bunkers e Gangue Silos

Condições de funcionamento:Altura de queda de material grande, concentração de poeira extremamente alta, e superfícies de material inclinado causado pelo ângulo de repouso.

Requisitos de selecção:Deve ser seleccionado um radar FMCW de 80 GHz com um ângulo de feixe de transmissão ≤3°. O feixe estreito ajuda a penetrar a camada de poeira e concentrar o sinal para o centro da pilha de material, reduzindo falsos ecos de paredes de silo ásperas e superfícies estruturais internas. Uma conexão pneumática de purga de ar também deve ser selecionada para que o ar comprimido possa limpar periodicamente a superfície da antena.

3. 2 Transmissor de Nível de Radar de Ondas Guiadas (GWR): Bunkers de Mistura de Carvão e Hoppers de Alimentação Estreita em Plantas de Preparação de Carvão

Condições de funcionamento:Espaço de instalação limitado, vigas de reforço interno e dispositivos de alimentação, e grandes variações na constante dielétrica do material.

Requisitos de selecção:Selecione radar de ondas guiadas equipado com um cabo de aço pesado com alta resistência à tração não inferior a 20 kN. O cabo de aço guiado confina energia eletromagnética ao redor do cabo e reduz a interferência de estruturas internas de aço. Dependendo do projeto da aplicação, a seção inferior do cabo pode exigir um peso ou arranjo de retenção adequado para manter a posição do cabo e reduzir o risco de danos mecânicos causados pelo material em colapso.

4. Requisitos de instalação de engenharia e prova de explosão para transmissores guiados de radar de onda

Em projetos de engenharia de mineração e lavagem de carvão, a instalação padronizada é fundamental para garantir a operação de instrumentos estáveis a longo prazo. Os seguintes são procedimentos padrão de construção e instalação para transmissores de nível de radar de onda guiados:

4. 1 Posição de instalação e Princípios de evitação de obstáculos

Evite a entrada de material:A posição de instalação deve evitar áreas sujeitas a impacto direto do material para evitar que grandes peças de minério ou outro material atinjam o cabo ou antena de aço. Em aplicações de granulação de polipropileno/polietileno e de tratamento de águas residuais, o instrumento pode ser instalado perto do centro. Para os tanques de drenagem de águas pluviais exteriores, a instalação pode ser de aproximadamente 400 mm da parede do tanque, com obstáculos nas proximidades removidos.

Caixa de isolamento e prevenção de contato com parede:Instale uma flange de 2 polegadas e 150 libras na conexão roscada do transmissor. Se for utilizada uma caixa de isolamento, faça uma abertura circular com um diâmetro de D = 50 mm na parte inferior. Guiar primeiro o cabo de aço através do centro da abertura e, em seguida, fixar a flange dentro da caixa de isolamento. Certifique-se de que o cabo de aço não toque na parede de metal da caixa de isolamento para evitar interferências de capacitância parasitárias.

4. 2 Requisitos de teste de explosão elétrica e isolamento

Processo de instalação elétrica

Etapa 1 – Encerramento protetor:Roteie o cabo do instrumento do compartimento de protecção ou isolamento.

Passo 2 – Conduto de cabo:Use conduíte de aço galvanizado DN20 com conexões roscadas seguras.

Passo 3 – Cabo intrinsecamente seguro:Roteie o cabo de sinal intrinsecamente seguro através do canal em direção ao instrumento.

Passo 4 – Glanda de cabo e laço de gotejamento:Aperte a glândula do cabo e crie um laço de gotejamento para baixo antes que o cabo entre na caixa para evitar que a condensação viaje para o instrumento.

Passo 5 – Explosão-Proof Junction e Aterramento:Complete a conexão de acordo com os requisitos de fiação à prova de explosão e conecte o escudo de cabo ao ponto de aterramento designado usando aterramento de ponto único.

Isolamento de Energia:Antes de desmontar ou instalar o instrumento, a fonte de alimentação deve ser desconectada no gabinete de comando e os fios de sinal positivo e negativo devem ser desconectados.

Instalação do cabo:Utilizar 1 mm × 2 mm × 1. Cabo intrinsecamente seguro de 5 mm com retardante de chama. O conduíte deve ser tubo de aço galvanizado DN20 com conexões roscadas firmemente apertadas.

Ensaio de isolamento:Após a instalação do cabo, realize um teste de isolamento utilizando um megohmmeter. Ajuste a tensão de ensaio para 500 V DC e teste continuamente durante 60 segundos. A resistência ao isolamento deve ser ≥20 M

Proteção à prova d'água e à umidade (Drip Loop):A glândula do cabo do instrumento deve ser firmemente apertada. Na entrada do cabo de sinal, dobre o cabo para baixo e forme uma laçada circular de gotejamento com um diâmetro de aproximadamente D = 100 mm para evitar que o condensado e vapor de água viajem ao longo do cabo para a caixa do instrumento.

Requisitos de aterramento:A camada de blindagem do cabo blindado deve ser aterrada em um único ponto para o terminal de aterramento interno dedicado da carcaça do transmissor de nível. A energia só pode ser restaurada após confirmar que não há falha no solo ou curto-circuito.

4. 3 Configurações do limite de alto nível e da zona cega

Ao usar um transmissor de nível de radar, o nível máximo de material nunca deve entrar na zona cega de medição.

Configuração do limite de alto nível:Ao configurar o alarme de alto nível, deve ser reservado espaço suficiente para a zona cega superior inerente ao instrumento. Um intervalo de referência típico é aproximadamente 0. 1 m–0. 3 m para radar sem contacto e aproximadamente 0. 2 m–0. 5 m para radar de ondas guiadas, dependendo do projeto específico do instrumento.

Lógica de prevenção de sobrecarga:Se o nível máximo de material atingir a zona cega, reflexos fortes perto da antena podem fazer com que a saída bloqueie no nível máximo ou acionar um alarme "Perda de Eco", o que pode resultar em ações incorretas do sistema de controle.

FAQ

Q1: Por que os transmissores de nível de radar METRAVON à prova de explosão são amplamente utilizados nas indústrias de mineração e metalúrgica?

A:As principais razões são seu projeto confiável de proteção à explosão e forte resistência à interferência ambiental. Os transmissores de nível de radar METRAVON à prova de explosão são projetados para aplicações exigentes de áreas perigosas, com configurações de proteção intrinsecamente seguras e à prova de chama disponíveis de acordo com os requisitos do modelo. Ao mesmo tempo, a medição de microondas de alta frequência de 80 GHz proporciona forte resistência à interferência de altas concentrações de poeira, vapor de água, mudanças de pressão ambiental e variações de temperatura significativas, oferecendo uma melhor estabilidade de medição em comparação com as tecnologias convencionais de radar ultrassônico e de baixa frequência em muitas aplicações de mineração.

Q2: Que vantagens o radar de onda contínua modulada por frequência (FMCW) fornece sobre o radar de pulso na medição do bunker de carvão?

A:O radar FMCW transmite continuamente sinais durante todo o ciclo de varredura de frequência e pode fornecer uma elevada relação sinal-ruído. Carvão e materiais semelhantes a granel muitas vezes têm superfícies soltas, inclinadas e podem atenuar fortemente os reflexos de microondas. O processamento de sinal FMCW pode ajudar a identificar ecoes fracos, mas válidos, e reduzir a probabilidade de "Perda de Eco" em condições difíceis de medição.

Q3: As altas concentrações de vapor de água e condensação subterrânea afetam a precisão da medição do nível do radar?

A:O vapor de água em si geralmente tem efeito limitado na velocidade de propagação de microondas. No entanto, se o vapor condensa em gotas de água na superfície da antena do radar, a energia de microondas pode ser atenuada. Os transmissores de radar METRAVON podem usar antenas de lentes PTFE elevadas com características hidrofóbicas. Combinado com um conjunto pneumático à prova de explosão, quando aplicável, este design ajuda a reduzir os efeitos da condensação na medição.

Q4: Como a deflexão de onda refletida causada pelo ângulo de repouso do material deve ser manuseada na medição em massa de mineração?

A:Uma superfície de material inclinado pode refletir parte da energia do micro-ondas para a parede do silo em vez de voltar para a antena. As soluções recomendadas incluem:

Utilizar um transmissor de radar METRAVON 80 GHz com um ângulo de raio estreito de aproximadamente 3° para reduzir o espalhamento;

Usar um flange de mira ajustável durante a instalação para ajustar o ângulo da antena do radar de modo que o feixe seja direcionado mais perpendicularmente para a superfície do material inclinado;

Habilitar o rastreamento interno de material-superfície do instrumento ou funções de processamento falso-eco onde suportado.

Q5: Como o cabo de aço de radar de onda guiado pode ser protegido de tensão excessiva ou quebra durante a descarga do material?

A:Durante a selecção e instalação, devem ser considerados os três pontos seguintes:

Calcular a força de tração máxima exercida pelo material no cabo e selecionar um cabo de serviço pesado com uma resistência de rotura adequada, como por exemplo, superior a 20 kN, quando exigido pela aplicação;

Evitar instalar o radar de ondas guiadas diretamente abaixo da entrada do material ou no centro da saída de descarga inferior;

Utilizar um método de montagem adequado de acordo com as condições mecânicas de carga, tais como suspensão superior com suspensão de extremidade inferior livre ou um sistema de retenção inferior flexível projetado, quando adequado.

Q6: Que materiais os transmissores inteligentes do nível do radar podem medir?

A:Transmissores inteligentes de nível de radar são amplamente utilizados para bunkers de carvão em fábricas de carvão, silos de cinzas em usinas de energia, tanques de armazenamento ácido e álcali em instalações petroquímicas, tanques de pastagem, caixas de minério metalúrgico, e silos de grãos de alimentos. Tanto a mídia condutora quanto muitos materiais não-condutores de baixa densidade elétrica, como produtos leves de petróleo e pós secos, podem ser medidos quando a tecnologia e configuração adequada do radar são selecionados.

P7: Em que ordem deve ser investigado um alarme "Perda de Eco" de um transmissor de nível de radar?

A: Primeiro, verifique se o nível máximo de material subiu para a zona cega da antena;

Verificar se a poeira espessa, pegajosa ou a pasta de carvão molhada se acumularam na superfície da antena;

Verificar se a pressão de abastecimento de ar é normal;

Verifique a tensão de alimentação do instrumento e a resistência ao isolamento do cabo retardador de chama, incluindo se a resistência ao isolamento permanece acima de 20 M

Conclusão

A seleção de um transmissor de nível de radar de mineração requer consideração abrangente da classificação de proteção contra explosões, constante dielétrica de material, concentração de poeira e as dimensões geométricas do espaço de medição. Para bunkers de carvão subterrâneo de alta poeira, de longo alcance e silos de gangue altos, os transmissores de nível de radar FMCW de 80 GHz fornecem uma forte combinação de precisão e estabilidade. Para espaços estreitos, materiais de baixa densidade elétrica ou tanques de lama, o radar de ondas guiadas (GWR) oferece vantagens técnicas importantes.

Como fabricante profissional que atende aplicações de controle de processo industrial e medição de mineração, a METRAVON fornece uma gama completa de transmissores de nível de radar à prova de explosão, juntamente com orientações de seleção de campo para clientes nas indústrias de mineração global, metalúrgica e de energia. Para obter documentos de certificação à prova de explosão de mineração, fichas técnicas ou cotações de aquisição de projetos, entre em contato com a equipe de engenharia METRAVON.

Recursos conexos

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Autor: Arvin · Fonte: Instrumentos METRAVON