Ультразвуковые и радарные датчики уровня: принципы, применение и руководство по выбору

Ультразвуковые и радиолокационные датчики уровня представляют собой широко применяемые технологии бесконтактного измерения уровня жидкостей и твёрдых материалов в bulk-формате. Оба типа датчиков определяют расстояние между датчиком и поверхностью материала, однако используют различные типы сигналов, в результате чего их поведение при изменении температуры, давления, концентрации паров, наличия пены, пыли и в других технологических условиях различается.

Ультразвуковые приборы используют акустические волны, тогда как радарные приборы — электромагнитные волны. Именно различие в принципах измерения является основной причиной того, что у этих двух технологий разные области применения. Выбор должен основываться на условиях технологического процесса, требуемой точности, условиях монтажа и общих затратах на проект.

1. Как работает ультразвуковой уровеньный передатчик?

Ультразвуковой датчик уровня устанавливается над поверхностью материала и излучает акустический импульс в сторону жидкости или твёрдого тела. Импульс отражается от поверхности и вновь принимается датчиком.

Устройство рассчитывает расстояние на основе времени прохождения сигнала туда и обратно:

Расстояние = скорость звука × время прохождения туда и обратно ÷ 2

При известной опорной высоте установки фактический уровень можно рассчитать по формуле:

Уровень = опорная высота − измерённое расстояние

Поскольку звуковая волна распространяется через газовый промежуток между датчиком и поверхностью материала, на результат влияют изменения температуры воздуха, состава газа, концентрации паров и т.д.Плотность пены и интенсивность воздушного потока могут влиять на распространение звука и качество эха. Поэтому в промышленных ультразвуковых передатчиках обычно применяется температурная компенсация для снижения погрешностей, обусловленных температурой.

2. Как работает передатчик радиолокационного уровня?

Передатчик радиолокационного уровня излучает высокочастотные электромагнитные волны с антенны в сторону поверхности материала. Волны отражаются от жидкости или твёрдого тела и принимаются той же антенной.

Устройство определяет расстояние на основе времени распространения сигнала или, в случае радиолокации по FMCW-методу, — на основе разницы частот между излучаемым и отражённым сигналами.Измерённое расстояние затем преобразуется в реальный уровень.

Радиолокация не зависит от скорости звука в воздухе и может функционировать в условиях вакуума. В целом она менее чувствительна к изменениям температуры воздуха, давления и скорости воздушного потока. Реальные характеристики радиолокации в большей степени определяются диэлектрическими свойствами, конструкцией антенны, использованием пеноматериалов, образованием конденсата, наличием пыли и геометрией установки.

3.Основные различия между ультразвуковым и радиолокационным измерением уровня:

4. Ограничиваются ли ультразвуковые измерения атмосферными условиями?

Диапазон работы ультразвукового датчика уровня зависит от конкретного типа устройства. В промышленной практике используются устройства с различными номиналами по температуре технологической среды, температуре окружающей среды и давлению, поэтому применение ультразвуковых измерений не ограничивается только открытыми резервуарами, не под давлением.

Однако ультразвуковые волны должны распространяться через газовый слой над материалом. Высокая температура, повышенное давление, наличие тяжёлых паров, необычный состав газа или значительные температурные градиенты могут усложнить условия проведения измерений. Такие условия следует оценивать с учётом характеристик выбранного преобразователя и измерительного прибора.

5. Может ли радар заменить ультразвуковые методы во всех сферах применения?

Радиолокационные и ультразвуковые методы измерений охватывают частично пересекающиеся, но различающиеся области применения. Радиолокация, как правило, обеспечивает более широкий рабочий диапазон в условиях высоких температур, повышенного давления, вакуума, в средах, богатых паром, а также в других сложных промышленных процессах. Ультразвуковые измерения, в свою очередь, остаются зрелым и экономически эффективным решением для многих водных резервуаров, сточных бассейнов, открытых каналов и в стандартных атмосферных условиях.

Выбор окончательной технологии должен основываться на условиях технологического процесса, требуемых характеристиках измерений, ограничениях при монтаже и сметной стоимости проекта, а не на подходе, при котором одна технология рассматривается как универсальная замена другой.

6. Какая технология предпочтительнее в присутствии пены?

Наличие пены представляет собой сложную ситуацию для обеих технологий. Толстая пена способна поглощать ультразвуковую энергию и существенно ослаблять реальный эхо-сигнал от границы раздела жидкость–среда.Радиосигнал также может ослабляться или отражаться пеноматериалом в зависимости от толщины пеноматериала, содержания воды, структуры пузырей, свойств среды и рабочей частоты.

Светлая или прерывистая пена всё ещё позволяет проводить надёжные измерения с использованием любой из этих технологий. При наличии постоянной плотной пены может потребоваться более детальное сравнение неконтактного радарного метода, радарного метода управляемых волн, метода измерения на основе давления или других подходящих технологий.

7. Какая технология более подходящая для применения в пыльных силосах для твёрдых сырьевых материалов?

Ультразвуковые и радарные технологии могут применяться в отдельных случаях использования в задачах с твёрдыми материалами, однако наличие пыли, наклонных поверхностей материалов и акустическое рассеяние могут сокращать эффективный диапазон действия ультразвуковых приборов.

РЛС высокой частоты, особенно 80GHz Радар, обеспечивает узкий луч, который может помочь избежать стен силоса, балок и внутренних структур. Поэтому он широко используется в цементе, зерне, минералах, угле и силосах для химического сырья.

При выборе следует также учитывать концентрацию пыли, высоту силоса, угол между поверхностью материала и лучом, диэлектрические свойства материала, а также доступные варианты размещения оборудования.

8. Какая технология обеспечивает более высокую точность?

Точность измерения не может быть определена только словами "радар" или "ультразвуковой". Различные приборы имеют различные классы точности, диапазоны измерения, возможности обработки сигналов и пределы применения. Качество установки и условия процесса также влияют на фактическую производительность поля.

Радиолокационный датчик, как правило, обеспечивает стабильные измерения в широком диапазоне температур, давлений и условий наличия паров, что расширяет спектр вариантов применения в условиях строгих требований к контролю технологических процессов и хранению. В традиционных системах контроля уровня воды ультразвуковые датчики также могут обеспечивать достаточную точность в соответствии с требованиями проекта.

— 9. Как соотносятся стоимости этих решений?

Между радарными и ультразвуковыми датчиками уровня не существует фиксированного соотношения цен. Стоимость оборудования определяется такими факторами, как измерительный диапазон, тип конструкции — радарная или акустическая, точность измерений, температура и давление в технологическом процессе, степень защиты корпуса, сертификация для опасных зон, используемые материалы, конструкция антенны или преобразователя, а также интерфейсы связи.

При традиционном измерении уровня воды в атмосфере ультразвуковые передатчики зачастую представляют собой экономически эффективное решение. Для резервуаров, работающих при высоких температурах или под давлением, в условиях вакуумных процессов, при наличии тяжёлых паров или в пыльных силосах применение радарных систем может лучше соответствовать техническим требованиям.

10. Какая технология подходит для различных областей применения?

Резервуары для воды и резервуары

Можно использовать как ультразвуковые, так и радиолокационные. Выбор может быть основан на окружающей среде, требуемой точности и бюджете проекта.

Бассейны сточных вод

Следует учитывать движение пены, пара и поверхности. Ультразвук подходит для многих обычных условий, в то время как радар может быть оценен для более сложных условий.

Резервуары для высоких температур или под давлением

Радиолокационные приборы с подходящими технологическими показателями температуры и давления обычно оцениваются в первую очередь.

Вакуумные сосуды

Радар использует электромагнитные волны и подходит для измерения уровня вакуума.

Массовые-твердые силосы

Высокая пыль, большой диапазон измерения и сложная геометрия бункера часто благоприятствуют высокочастотному радару.

Открытые каналы

Ультразвуковой метод измерения имеет длительную историю применения и является экономически выгодным, тогда как радиолокационный метод также может быть выбран в зависимости от условий окружающей среды.

11. Какая информация требуется для отбора? Параметр выбора

Часто задаваемые вопросы

Q1: Всегда ли радар лучше, чем ультразвуковое измерение уровня?

A1: У этих двух технологий различный диапазон применения. Радары обычно применяются в условиях, предъявляющих высокие требования к температуре, давлению, вакууму, концентрации паров и наличию пыли, тогда как для резервуаров с водой, открытых каналов и традиционных атмосферных условий может использоваться любая из этих технологий в зависимости от требований проекта.

Q2: Можно ли использовать ультразвуковые датчики уровня в резервуарах под давлением?

A2: Некоторые из доступных моделей способны работать при ограниченных значениях давления.Допустимое давление в технологическом процессе зависит от конструкции преобразователя и измерительного прибора. Для сосудов, работающих под повышенным давлением, обычно требуется проведение оценки с помощью радарных методов или других подходящих технологий.

Q3: влияет ли пена на радар?

A3: Да. Эффект зависит от толщины пены, содержания воды, структуры пузырьков, частоты радара и свойств технологической среды. Стойкая плотная пена должна быть оценена специально.

Вопрос 4: Почему для ультразвукового измерения требуется температурная компенсация?

Ответ 4: Скорость распространения звука в воздухе зависит от температуры. Температурная компенсация позволяет скорректировать расчёт скорости звука и минимизировать погрешность измерения расстояния, обусловленную температурными колебаниями.

Вопрос 5: Может ли радар работать в вакууме?

A5: Да. Радар использует электромагнитные волны и не требует наличия воздуха в качестве среды распространения. Избранный прибор должен соответствовать требуемым параметрам: температурным условиям процесса, давлению и механическим характеристикам.

Q6: Следует ли измерять твёрдые вещества в целом с помощью ультразвука или радара?

A6: Обе технологии могут применяться для определённых типов твёрдых веществ.В условиях высокого уровня пыли, при использовании радиометров дальнего действия или в сложных условиях применения силосов зачастую предпочтительно применение радарных датчиков высокой частоты, тогда как в более простых задачах с коротким радиусом действия также можно использовать ультразвуковые датчики.

Q7: Всегда ли стоимость радарного датчика уровня в два раза превышает стоимость ультразвукового датчика?

A7: Нет. Фиксированного соотношения цен не существует. Стоимость зависит от диапазона измерений, частоты, точности, используемых материалов, допустимых температурных и давлений, уровня защиты, сертификации и интерфейсов связи.

Q8: Могут ли обе технологии подключаться к PLC?

О8: Да. В зависимости от прибора интерфейсы, такие как 4-20mA, RS485 Modbus RTU и HART Может использоваться для интеграции с PLCs, DCS, RTU и системы сбора данных.

— заключение

Основное различие между ультразвуковыми и радиолокационными датчиками уровня заключается в типе измеряемого сигнала. Ультразвуковые датчики используют акустические волны, поэтому на их распространение могут влиять температура в газовой среде, состав газа, а также наличие паров и пены. Радиолокационные датчики, в свою очередь, используют электромагнитные волны и, как правило, обеспечивают более широкий рабочий диапазон при изменении вакуума, температуры и давления.

Радиолокация не предназначена для замены всех ультразвуковых применений, и ультразвуковые технологии не ограничиваются исключительно полностью открытыми резервуарами, не содержащими паров. В традиционных задачах определения уровня воды и в открытых каналах ультразвуковые измерения могут использовать преимущества своей зрелости и экономической эффективности, тогда как в условиях высоких температур, давления, вакуума, наличия паров и пыли целесообразно рассмотреть применение радиолокации.

METRAVON Может настроить ультразвуковые или радиолокационные измерительные решения в соответствии с технологической средой, диапазоном измерения, температурой, давлением, пеной, паром, пылью, геометрией сосуда и требованиями к интерфейсу автоматизации, с вариантами интеграции для PLCs, RTU, DCS и системы удаленного мониторинга.