Радар против ультразвукового измерения уровня воды

1. Различия в механизмах физических измерений и операционных принципах измерения промышленного уровня

В гидротехнике, муниципальных системах водоснабжения и управлении промышленными процессами непрерывное измерение уровня является основным компонентом автоматизированных систем мониторинга и сбора данных, таких как SCADA. Хотя радиолокационные измерители уровня воды и ультразвуковые измерители уровня воды могут обеспечивать стандартные аналоговые выходы 4-20 мА или цифровые сигналы RS-485 Modbus RTU, существуют фундаментальные различия в их основных механизмах передачи физических волн.

1. 1 Радарный измеритель уровня воды: высокочастотный электромагнитный механизм передачи волн

Радиолокационные счетчики уровня воды, включая бесконтактный импульсный/FMCW радар и управляемый волновой радар (GWR), работают на основе распространения электромагнитных волн. Радиолокационная антенна передает высокочастотные электромагнитные волны, обычно микроволны 26 ГГц или 80 ГГц или высокочастотные импульсы TDR. Эти электромагнитные волны движутся по воздуху или по пути измерения примерно со скоростью света, около 3 × 10.⁸ m/s.

Когда электромагнитная волна достигает поверхности измеряемой жидкости, часть волны отражается из-за разрыва в диэлектрической постоянной между воздухом и измеряемой средой. Отраженная волна принимается антенной. Система вычисляет расстояние D от плоскости отсчета датчика до поверхности жидкости путем измерения разности времени Δt между передачей и приемом с использованием рефлектометрии временной области (TDR) или технологии непрерывной волны с частотной модуляцией (FMCW):

D = (c × Δt) / 2

Поскольку для распространения электромагнитных волн не требуется газовая среда в качестве носителя передачи, радиолокационные счетчики уровня воды также могут нормально работать в вакууме. На скорость их распространения не влияют плотность газа, температура, давление или концентрация пара.

Процесс радиоизмерения

Шаг 1 – Передача:Радиолокационная антенна излучает высокочастотные электромагнитные волны.

Шаг 2 - Распространение:Электромагнитные волны движутся примерно со скоростью света и не требуют воздуха или другой газовой среды в качестве носителя распространения.

Шаг 3 – Размышления:Когда электромагнитные волны достигают поверхности жидкости, часть сигнала отражается из-за разницы в диэлектрической постоянной εr между воздухом и измеряемой средой.

Шаг 4 – прием:Радиолокационная антенна принимает отраженный эхо-сигнал.

Шаг 5 - Расчет расстояния:Прибор вычисляет разницу во времени распространения Δt и определяет расстояние с помощью

D = (c × Δt) / 2.

1. 2 Ультразвуковой метр уровня воды: высокочастотный механический акустический волновой механизм

Ультразвуковые измерители уровня воды используют электростриктивный эффект пьезоэлектрических кристаллов для генерации высокочастотных звуковых волн, обычно механических волн в диапазоне 20 кГц-200 кГц. Звуковые волны распространяются вниз по воздуху со скоростью звука v. Когда они достигают поверхности жидкости, возникает акустическое отражение из-за разрыва в акустическом импедансе. Преобразователь, или зонд, принимает эхо и преобразует его в электрический сигнал. Расстояние рассчитывается по следующей формуле:

D = (v × Δt) / 2

Звуковые волны являются механическими волнами, и их распространение в значительной степени зависит от передачи энергии через столкновения между молекулами газа. На скорость звука v в воздухе существенно влияет температура газа. Примерная формула скорости распространения для идеального воздуха:

v ≈ 331.5 + 0.607 × T (m/s)

где T - температура окружающей среды в градусах Цельсия (°C). Хотя промышленные ультразвуковые передатчики обычно включают встроенный датчик компенсации температуры PT100, изменения в акустической скорости все еще могут вызывать ошибки измерения в наружных или промышленных средах, где присутствуют градиенты температуры, стратификация газа или высокие скорости ветра.

Ультразвуковой процесс измерения

Шаг 1 – Передача:Пьезоэлектрический преобразователь излучает высокочастотные механические звуковые волны.

Шаг 2 - Распространение:Звуковые волны проходят через воздух или другую газовую среду с локальной скоростью звука.

Шаг 3 – Размышления:Когда звуковые волны достигают поверхности жидкости, различия в акустическом импедансе вызывают отражение части звуковой энергии.

Шаг 4 – прием:Преобразователь принимает отраженное акустическое эхо и преобразует его в электрический сигнал.

Шаг 5 - Расчет расстояния:Прибор применяет температурную компенсацию к скорости звука и вычисляет расстояние с помощьюD = (v × Δt) / 2.

2. Сравнение ключевых инженерных параметров и эксплуатационных ограничений

Для обеспечения точного выбора оборудования для промышленных измерений и гидравлического мониторинга в следующей таблице сравниваются технические параметры промышленных радиолокационных счетчиков уровня воды METRAVON и ультразвуковых счетчиков уровня воды в сложных условиях эксплуатации:

3. Анализ влияния сложных экологических факторов

3. 1 Вариации плотности газа, пыли и пара

Ультразвуковой уровень воды:Когда звуковые волны проходят через высокие концентрации пыли, такие как те, которые находятся в цементных шахтах или шахтных каналах, или через высокие концентрации водяного пара, такие как в градирнях силовой установки или резервуарах для смешивания асфальта, большое количество акустической энергии может быть рассеяно и поглощено взвешенными частицами. Это вызывает серьезное ослабление сигнала и может даже привести к полной потере эха. Кроме того, если внутри сосуда существует стратификация газа или неравномерная плотность газа, может произойти акустическая рефракция из-за изменения скорости звука, что приводит к значительным систематическим ошибкам измерения.

Радиолокационный измеритель уровня воды:Микроволны обладают сильными возможностями распространения и физически не подвержены воздействию пыли, водяного пара или взвешенного тумана. Характеристики распространения радара миллиметровой волны 80 ГГц позволяют надежно возвращать жидкостные отражения даже в чрезвычайно пыльных или насыщенных паром условиях эксплуатации.

3. 2 Жидкие поверхностные волны и турбулентность

Ультразвуковой уровень воды:Когда механические звуковые волны сталкиваются с сильно колеблющейся жидкой поверхностью или жидкой поверхностью, покрытой большим количеством пены, может произойти диффузное отражение. В результате большая часть отраженной акустической энергии не может вернуться к зонду по первоначальному пути распространения, что может привести к сигнализации слепой зоны или потере измерения.

Радиолокационный измеритель уровня воды:Высокочастотные радиолокационные передатчики интегрируют передовые алгоритмы динамического слежения, такие как подавление эха и фильтрация ложного эха. Даже когда поверхность жидкости катится, турбулентна или покрыта световой пеной, радиолокационные счетчики уровня воды METRAVON все еще могут идентифицировать и отслеживать истинное эхо поверхности жидкости от фонового шума.

3. 3 Внутренние конструкции танка и угловой балки установки

Угол луча ультразвукового передатчика обычно составляет от 6° до 12°, что означает, что передаваемая энергия относительно диспергирована. Когда ребра, трубы, лестницы, насосы или другие внутренние структуры находятся внутри резервуара или хорошо измеряются, звуковые волны могут легко отражаться от этих препятствий и генерировать ложные сигналы уровня.

Радиолокационные счетчики уровня воды METRAVON 80 ГГц могут уменьшить угол луча передачи примерно до 3°. Высококонцентрированный и чрезвычайно узкий луч может легче избегать внутренних конструкций резервуаров и узких монтажных сопл, перемещаться непосредственно к поверхности жидкости и значительно уменьшать ограничения пространства установки в полевых применениях.

4. Рекомендации по выбору типовых промышленных применений

Во время инженерных закупок и проектирования проекта следует выбирать соответствующую технологию в соответствии со средними характеристиками, имеющимся пространством для установки и бюджетом проекта:

Процесс выбора уровня измерения

Шаг 1 - Оценка среды процесса:Определите, включает ли приложение тяжелую пыль, пар, высокую температуру, высокое давление, ограниченное пространство для установки или низкодиэлектрические постоянные среды.

Шаг 2 - Суровые промышленные условия:Для высокой пыли, тяжелых паров, высокой температуры или высокого давления выберите80 ГГц бесконтактный радиолокационный передатчик уровняНапример, METRAVON R-80.

Шаг 3 - Ограниченное пространство или низкая диэлектрическая постояннаяДля небольших судов, ограниченных пространств или с низким содержанием диэлектрика рассмотретьуправляемый волновой радар (GWR)Например, METRAVON GWR-70.

Шаг 4 - Общие приложения для воды и открытых каналов:Для применения воды при температуре окружающей среды, атмосферном давлении без серьезных паровых или экологических помехультразвуковой счетчик уровня водыMETRAVON UT-20 может быть экономически эффективным решением.

4. 1 Приложения, в которых предпочтительны ультразвуковые измерители уровня воды

Муниципальные дренажные и гидравлические измерения открытого канала:В открытых потоках Parshall, треугольных вейрах и приложениях мониторинга уровня воды в реке без паровых помех ультразвуковые счетчики уровня воды обеспечивают отличную производительность. Их бесконтактная установка также устраняет требования к техническому обслуживанию, связанные с коррозией.

Цистерны для воды атмосферного давления и резервуары для чистой воды:Для чистых водоочистных бассейнов, резервуаров с противопожарной водой и сельскохозяйственных ирригационных каналов без сильных колебаний температуры или сильного волнового воздействия ультразвуковая технология может обеспечить стабильное и надежное измерение при контроле общей стоимости проекта.

4. 2 Приложения, в которых предпочтительны радиолокационные измерители уровня воды

Суда для хранения пыли горнодобывающей и цементной промышленности:Высокая пыль может привести к полному отказу ультразвукового измерения. Радиолокационный передатчик уровня 80 ГГц является стандартным выбором для непрерывных измерений в условиях высокой пыли.

Асфальтосмесительные резервуары, резервуары для хранения углеводородов и бассейны для хранения химических веществ:Для летучих органических соединений (ЛОС), высоких концентраций пара и высокотемпературных сред выше 80 °C радиолокационные счетчики уровня воды не подвержены изменениям преломляющих свойств пара так же, как ультразвуковые приборы.

Узкие глубокие скважины и реакторы со сложными ажитаторами:Узкий угол луча радара 80 ГГц позволяет сигналу проходить через ограниченные пространства и достигать поверхности жидкости, избегая при этом ложных эхов, генерируемых лопастями агитатора.

Низкодиэлектрические жидкости, такие как сжиженный газ и легкие нефтепродукты:Выберите радиолокационный измеритель уровня воды METRAVON (GWR). Путем фокусировки энергии электромагнитных волн вдоль металлического зонда непрерывное измерение на миллиметровом уровне может быть достигнуто в приложениях с диэлектрическими константами до примерно 1. 4.

FAQ

Q1: Почему ультразвуковые измерения уровня воды могут различаться в дневное и ночное время, когда прибор установлен на открытом воздухе?

A:Непосредственной причиной является неэффективная компенсация градиентов температуры воздуха. Ультразвуковое измерение зависит от скорости звука, а скорость звука изменяется с температурой. При каждом повышении температуры на 1 °C скорость звука увеличивается примерно на 0. 6 м/с. Хотя датчик имеет встроенный элемент компенсации температуры, компенсация может стать неточной, когда прямое солнечное излучение нагревает корпус зонда, так что температура внутреннего датчика значительно выше фактической температуры воздуха вдоль пути акустического распространения. Это может привести к отклонению измерения.

Рекомендация по закупкам:Наружные ультразвуковые счетчики уровня воды должны быть оснащены солнечным радиационным экраном. Для высокоточных приложений гидрологического мониторинга рекомендуется радиолокационный измеритель уровня воды METRAVON 80 ГГц, на который таким же образом не влияет атмосферное поле.

Q2: Как низкая диэлектрическая постоянная или низкий εr влияет на радиолокационный измеритель уровня воды и как можно решить эту проблему?

A:Диэлектрическая постоянная определяет долю электромагнитной энергии, отраженной от средней поверхности. Когда диэлектрическая постоянная очень низкая, например, дизель с εr приблизительно 2. 1 или сжиженный газ с εr приблизительно 1. 4, большая часть бесконтактной микроволновой энергии может проникать в среду вместо отражения. Это ослабляет отраженный сигнал и может затруднить электронике приемника идентификацию правильного эха.

Решения и условия выбора:

Выберите радиолокационный измеритель уровня воды METRAVON 80 ГГц с высококонцентрированной передаваемой энергией.

Выберите радиолокационный счетчик уровня воды METRAVON (GWR), который использует коаксиальный зонд или зонд кабельного типа для направления электромагнитных волн и минимизации потерь энергии.

Q3: Могут ли радиолокационные счетчики уровня воды полностью заменить ультразвуковые?

A:С точки зрения технических характеристик радиолокационная технология может обеспечить полную функциональную замену. Радиолокационные счетчики уровня воды обеспечивают преимущества в точности, устойчивости к температуре и давлению, устойчивости к помехам окружающей среды, таким как пыль, пар, ветер и изменение температуры, а также управление лучевым углом.

Рекомендация по закупкам:Выбор оборудования должен сбалансировать технические требования с бюджетом проекта. Ультразвуковые измерители уровня воды сохраняют значительное преимущество в стоимости в обычных приложениях для воды, работающих при температуре окружающей среды и атмосферном давлении без помех паров. Если бюджет проекта достаточен или условия эксплуатации требуются, следует рассмотреть вопрос о модернизации всей системы измерений до радиолокационных счетчиков уровня воды.

Q4: Какой тип счетчика уровня воды обеспечивает более стабильное измерение в резервуарах для очистки сточных вод с большим количеством пены?

A:Пена может поглощать как акустическую, так и микроволновую энергию. Однако управляемый волновой радар (GWR) обычно обеспечивает наибольшую стабильность в этом типе применения, потому что управляемый волновой зонд может проходить непосредственно через поверхностный слой пены и измерять истинный жидкий интерфейс ниже с использованием высокочастотных электромагнитных сигналов. Если неконтактное измерение является обязательным, следует выбрать высокочастотный радар 80 ГГц с многоэхо-алгоритмами слежения. Ультразвуковые счетчики уровня воды, скорее всего, потеряют сигнал из-за диффузного отражения в этих условиях.

Q5: Какое практическое инженерное воздействие оказывает слепая зона на измерение уровня?

A:Слепая зона представляет собой минимальное расстояние непосредственно под датчиком, в пределах которого эффективное измерение не может быть выполнено. Из-за времени прохождения датчика ультразвуковые счетчики уровня воды обычно имеют относительно большую слепую зону примерно 0. 25 м-0. 8 м. Если уровень жидкости поднимается в эту зону, датчик может вывести неправильный полномасштабный сигнал, создавая потенциальный риск переполнения резервуара. Радиолокационные счетчики уровня воды обычно имеют гораздо меньшую слепую зону, обычно около 0. 05 м-0. 1 м, что позволяет значительно улучшить полезную емкость резервуара.

Q6: Как следует выбирать ультразвуковые и радиолокационные технологии для применения в измерениях потоков по открытым каналам, таких как парсхальные потоки?

A:Выберите ультразвуковой измеритель уровня воды в следующих условиях: муниципальные ливневые воды или сточные воды открытых каналов без значительного водяного пара, без сильного ветра и ограниченного бюджета проекта.

Выберите радиолокационный измеритель уровня воды в следующих условиях: сброс промышленных сточных вод с разницей температур и водяным паром, высокоскоростные турбулентные речные каналы или открытые резервуары, сильно пострадавшие от ветра.

Рекомендация по закупкам:Для ключевых проектов мониторинга сбросов, осуществляемых водными властями или промышленными парками, рекомендуется использовать радиолокационную систему измерения потока METRAVON с открытым каналом для улучшения непрерывности загруженных данных мониторинга и поддержки соблюдения нормативных требований.

Q7: Как следует выбирать радиолокационные станции с управляемыми волнами (GWR) и бесконтактные высокочастотные радары?

A: Руководящий волновой радар:Подходит для высоковязких или клеевых сред, чрезвычайно низкодиэлектрически-постоянных жидкостей, узких резервуаров с сильным перемешиванием или для измерения интерфейса твердой жидкости, такого как измерение уровня осадка в резервуарах для оседания.

Неконтактный радар:Подходит для высококоррозионных жидкостей, где следует избегать коррозии зонда, вязких или кристаллизующих сред и гигиенических емкостей для хранения пищевых продуктов или фармацевтических препаратов, где прямой контакт зонда со средой не допускается.

Заключение

Нет абсолютного превосходства между радиолокационными счетчиками уровня воды и ультразвуковыми счетчиками уровня воды. Ключевым соображением является соответствие принципа измерения фактическим условиям эксплуатации. Благодаря высокой экономической эффективности ультразвуковые измерители уровня воды остаются практичным решением для обычных открытых каналов и обычных резервуаров для воды, работающих при температуре окружающей среды и атмосферном давлении. Радиолокационные измерители уровня воды, особенно высокочастотные микроволновые радары с частотой 80 ГГц и технология управляемых волновых радаров, стали критически важными измерительными приборами для сложных промышленных процессов, опасных сосудов для хранения и высокоточного гидрологического мониторинга из-за их сильной физической устойчивости к помехам от температуры, влажности, давления, пара и пыли.

Являясь поставщиком решений для измерения промышленных процессов и гидравлического мониторинга, METRAVON предлагает полный ассортимент продукции, охватывающий высокочастотные радары с частотой 80 ГГц, управляемые волновые радары и промышленные ультразвуковые передатчики уровня. METRAVON также обеспечивает индивидуальный выбор оборудования и поддержку интеграции сигналов для сложных условий эксплуатации. Чтобы оптимизировать ваше решение для измерения уровня или получить подробные технические характеристики и цены проекта, пожалуйста, свяжитесь с технической инженерной командой METRAVON.

Связанные с этим ресурсы

Радиометры уровня · Измерение уровня

Источник: METRAVON Instruments