Преимущества и недостатки радарных датчиков уровня: монтаж, частота и выбор

Радиолокационные датчики уровня широко применяются для непрерывного измерения уровня в промышленных резервуарах, системах очистки воды, химических процессах, при хранении нефти, в пищевой промышленности, в горнодобывающей промышленности и в силосах для твёрдых материалов в крупнотоннажном объёме. В зависимости от принципа измерения и конструкции зонда промышленные радиолокационные системы измерения уровня, как правило, подразделяются на радиолокационные системы без контакта и системы на основе направляющих волн.

Безконтактный радиопередатчик излучает электромагнитные волны через антенну в сторону поверхности материала и определяет расстояние до отражённого сигнала. В радиолокации с направляемыми волнами, напротив, радиопулс направляется по стержню или кабелю. Обе технологии основаны на принципах радиолокации, однако различаются по способам установки, подходящим сферам применения и требованиям к техническому обслуживанию.

1. Как работает радиолокационный датчик уровня?

Радиолокационный датчик уровня излучает высокочастотные электромагнитные волны в сторону поверхности технологического процесса. При попадании радиосигнала в жидкость, суспензию или твёрдую массу часть сигнала отражается обратно к прибору. Датчик анализирует время прохождения или разницу в частотах между излучаемым и отражённым сигналами, чтобы определить расстояние до поверхности материала.

Если известна опорная высота резервуара или силоса, фактический уровень можно рассчитать по формуле:

Уровень = опорная высота − расстояние от радарного датчика до поверхности материала

В современных промышленных радиолокационных приборах в основном применяются импульсный радиолокационный метод или технология FMCW (частотно-модулированная непрерывная волна). Поскольку радиолокация использует электромагнитные волны, она не требует воздуха в качестве среды распространения и может функционировать в вакууме. Кроме того, такие приборы, как правило, менее чувствительны к изменениям температуры воздуха, давления и скорости воздушного потока по сравнению с ультразвуковыми измерительными устройствами.

2. Какие существуют основные типы радиолокационных приборов для определения уровня?

Ненонтактный радиолокационный передатчик для определения уровня

Антенна устанавливается над материалом и не находится в прямом контакте с рабочей средой. Её можно использовать для жидкостей, суспензий, порошков, гранул и отдельных видов твёрдых тел.

Радар на основе направляемых волн

Радарный импульс распространяется по стержню или кабелю, в связи с чем применяется контактная измерительная схема. Данный тип радара подходит для использования с определёнными типами жидкостей с низкой диэлектрической проницаемостью, в системах с пеноматериалами, при измерении границ раздела фаз, а также в байпасных камерах.

Радиолокация без контакта подходит в тех случаях, когда прямое взаимодействие с технологической средой следует свести к минимуму, тогда как радиолокация на основе направляемых волн может обладать преимуществами в определённых сферах применения — при работе с пеноматериалами, на границах фаз и в узких ёмкостях. При выборе оптимального варианта необходимо учитывать тип технологической среды, температуру, давление, использование пеноматериалов, доступность монтажного пространства, а также условия технического обслуживания.

3. Основные преимущества радарных датчиков уровня

— непрерывный измерение без контакта

Радиоловные антенны без контакта не требуют погружения в среду, что снижает риск прямого воздействия коррозии, износа и накопления продуктов реакций.

— широкий диапазон рабочих температур и давлений.

— в зависимости от конкретной модели радиоловные приборы могут применяться в атмосферных, вакуумных, под давлением и высокотемпературных процессах.

Подходит для жидкостей и твёрдых тел.

Сферы применения включают воду, масло, химикаты и суспензии, а также цемент, зерно, минералы, уголь и другие твёрдые материалы в крупнотоннажном объёме.

Узкий пучок снижает уровень помех.

Радиолокация высокой частоты позволяет формировать узкий измерительный луч, что помогает избегать столкновений с стенками судов, трубопроводами, несущими балками и другими внутренними препятствиями.

Не подвергается прямому влиянию изменений плотности жидкости.

Измерение уровня с помощью радиолокации не зависит от гидростатического давления, поэтому изменения плотности жидкости не вызывают таких ошибок измерения уровня, как при гидростатическом методе.

Интеграция в системы автоматизации

В зависимости от модели интерфейсы могут включать 4–20.mA, HART и RS485 Modbus RTU для интеграции с PLC s, DCS, RTU и SCADA системы.

4. В чём заключаются ограничения радиолокационного измерения уровня?

Несмотря на широкую область применения радаров, они не всегда автоматически подходят для всех технологических процессов без надлежащего подбора и установки. Такие факторы, как средняя отражательная способность среды, наличие пены, концентрация антенных элементов, внутренняя структура объекта и положение установки, могут влиять на точность измерений.

Среды с низкой диэлектрической проницаемостью

Для сред с низкой отражательной способностью может потребоваться более широкий динамический диапазон или использование радарной частоты и антенны, соответствующих конкретным условиям.

Густая пена

Густая пена способна ослаблять радиолокационные сигналы, поэтому не следует полагать, что радиолокационные волны могут беспрепятственно проникать через любую пену.

Увеличение массы антенной системы

Толстое покрытие, отложения или конденсация могут ухудшать качество эха; эти факторы следует оценивать совместно с конструкцией антенны и методами обработки сигналов.

Сложные внутренние структуры

Вращающиеся элементы, нагревательные катушки, опорные конструкции и балки могут вызывать ложные эхо-сигналы.

Положение установки

Даже радарный передатчик высокой производительности может давать нестабильные измерения, если он установлен в неподходящем положении.

5. В чём разница между радаром высокой частоты и радаром низкой частоты?

Частота радара влияет на длину волны, габариты антенны, угол луча и пригодность для различных технологических условий. К распространённым промышленным технологиям радиолокации относятся 24/26GHz и 80GHz радар без контакта, в то время как решения на более низких частотах также применяются в отдельных сферах применения.

Чем выше частота, тем короче длина волны. При одинаковых габаритах антенны радиолокатор на более высокой частоте, как правило, обеспечивает более узкий луч.Радиолокация с более низкой частотой имеет более длинную длину волны и может обладать преимуществами в определенных условиях — при работе с пеноматериалами, в условиях конденсации или при применении специальных технологических процессов.

6. В каких случаях особенно эффективен радиолокационный аппарат на высоких частотах?

Основными преимуществами радиолокаторов высокой частоты являются более короткая длина волны, более узкий луч и более компактная антенна. Например, при одинаковых или схожих габаритах антенны,80GHz радар, как правило, может формировать более узкий луч по сравнению с 26GHz радар, что снижает влияние близлежащих стационарных сооружений.

Узкие или небольшие резервуары для хранения;

Тарелы, содержащие трубы, балки или agitators;

Цементные, зерновые и минеральные силосы;

Сферы применения, требующие небольшой антенны или технологического соединения;

Установки, где необходимо минимизировать влияние стенок или конструктивных элементов;

Системы дистанционного измерения, требующие эффективного фокусирования луча

Более высокая частота не гарантирует автоматически более высокую точность для каждого прибора. Фактические характеристики также зависят от динамического диапазона, технологий обработки сигналов, коэффициента отражения среды, конструкции антенны и условий её установки.

— 7. В каких случаях следует рассматривать использование радаров с более низкой частотой или радаров на основе направляемых волн?

Радиолокация с более низкой частотой по-прежнему находит важные применения, несмотря на широкое распространение 80GHz технология. В процессах с устойчивой пеной, интенсивной конденсацией, аномальными условиями в газовой фазе или при использовании определённых сред с низкой диэлектрической проницаемостью может быть целесообразным сравнение неконтактного радиолокатора с более низкой частотой,80GHz радар и радар на основе управляемых волн

Таким образом, верный инженерный принцип заключается не в том, что «высшая частота всегда является более предпочтительной», а в выборе технологии радарного оборудования в соответствии с отражательной способностью среды, типом пены, условиями конденсации, диапазоном измерения и условиями монтажа.

8. Типичные методы монтажа неравновоздействующего радарного оборудования

Радиолокаторы без контакта, как правило, устанавливаются с верхней части судна, резервуара или силоса с использованием резьбового соединения, фланца, монтажного кронштейна или иного подходящего технологического соединения. Антенна должна иметь чёткий измерительный путь и, как правило, должна быть ориентирована как можно ближе к средней поверхности материала.

Избегайте подачи потоков.

Не направляйте радиолокатор непосредственно на падающие твёрдые частицы, входящие жидкие потоки или мощные струи.

Избегайте крупных внутренних препятствий.

По возможности избегайте agitators, конструктивных балок, лестниц, нагревательных спиралей и внутренних трубопроводов.

Учет расстояния до стенки сосуда.

Не устанавливайте радар слишком близко к стене. Оптимальное расстояние определяется углом луча и требованиями к монтажу, указанными в инструкции по установке.

Проверьте габариты сопла.

Сопло, имеющее большой или узкий диаметр, может вызывать дополнительные отражения; его размеры должны соответствовать допустимым параметрам выбранной модели.

9. Должно ли обозначение ориентации фланца всегда быть обращённым к стенке резервуара?

Нет. У некоторых радиопередатчиков на фланце, антенне или корпусе имеется ориентационная метка, и производитель может указывать конкретное направление относительно стенки судна, бокового отверстия или внутренней конструкции. Однако данное требование зависит от конструкции антенны, её поляризации и характеристик конкретного прибора.

Если в изделии имеется ориентационная метка, его следует устанавливать в соответствии с инструкциями для данной конкретной модели, а не применять единое правило «направьте в сторону стены» ко всем радиолокационным передатчикам.

10. Как следует устанавливать радиолокационный передатчик в силосе для крупнотоннажных сырьевых материалов?

Поверхность твёрдых тел в объёме, как правило, не является горизонтальной и может формировать угол покоя. Процесс загрузки также может приводить к образованию пыли и к постоянному изменению геометрии материала. По этой причине радар в обычных условиях не следует устанавливать непосредственно над потоком загрузки.

Точка установки должна обеспечивать репрезентативный средний уровень и стабильный эхо-сигнал. В высоких или сложных силосах, при наличии опоры от измеряемого продукта, может применяться регулируемый фланец или иной механизм регулировки угла, позволяющий более эффективно направлять радиолокационный луч к поверхности объекта.

Если эхо-сигнал отражается от стен, несущих балок или других стационарных конструкций, для ослабления влияния таких стационарных отражений можно применять подавление ложных эхо-сигналов.

11. Что такое подавление ложного эха?

Радарные сигналы могут отражаться не только от поверхности материала, но и от стенок сосудов, несущих балок, труб, агитаторов и других внутренних элементов оборудования. Такие фиксированные отражения могут быть ошибочно интерпретированы как уровень процесса.

Современные радиолокационные передатчики уровня зачастую оснащаются функциями подавления ложных эхо или обучения по эхо. Эти функции позволяют выявлять и записывать координаты или характеристики фиксированных отражений, что обеспечивает возможность снижения их влияния на точные измерения уровня.

Супрессия ложных эхо-сигналов — это инструмент настройки системы, а не замена правильной установке. Проблемы, которые можно устранить за счёт более точного позиционирования датчиков, в первую очередь должны быть решены при проектировании системы установки.

12. Как устанавливается радар на основе направляющихся волн?

В радиолокаторах с направляющими волнами для передачи радиолокационного импульса используется стержень или кабель, поэтому требования к их монтажу отличаются от требований к радиолокаторам без контакта. Стержень или кабель, как правило, должен находиться в вертикальном положении и не должен контактировать с стенкой судна, его внутренними конструкциями или agitators.

При использовании гибких кабельных зондов в глубоких резервуарах необходимо учитывать их перемещение и возможность закрепления на дне. Радар на основе направляемых волн может быть полезен при определённых условиях применения пены, в низкодиэлектрических средах, при измерении параметров на границе раздела фаз, а также в задачах обхода; однако липкие или склонные к образованию плёнок продукты могут накапливаться на зонде, что усложняет его обслуживание.

13. Какие сведения следует подтвердить до проведения отбора и установки радара?

— frequently asked questions;

— Вопрос 1: Всегда ли радиолокация на высокой частоте эффективнее радиолокации на низкой частоте?

A1: Нет. Радар высокой частоты обладает такими преимуществами, как узкий луч и компактная антенна, однако в некоторых случаях — при использовании в пеноматериалах, при сильной конденсации или в специфических средах — более подходящими могут оказаться радары более низкой частоты или радары на основе направляемых волн.

Вопрос 2: Почему это так?80GHz Существует ли радар, подходящий для небольших танков?

A2: При одинаковых или схожих размерах антенны,80GHz Радиолокатор, как правило, способен формировать более узкий луч и использовать более компактную антенну, что упрощает обход стенок судов и их внутренних конструкций.

Q3: У радара с более низкой частотой длина волны больше или меньше?

A3: Более длинная длина волны. Снижение частоты приводит к увеличению длины волны, тогда как её увеличение — к уменьшению длины волны.

Q4: Под влиянием температуры и давления изменяются ли результаты радиолокационного измерения?

A4: Распространение электромагнитных волн, как правило, не сильно зависит от обычных изменений температуры или давления в воздухе, однако сам прибор имеет установленные пределы допустимых значений температуры и давления для механических компонентов, уплотнений и электронных элементов.

Q5: Может ли радар измерять низкодиэлектрические среды?

A5: Да, однако более низкая диэлектрическая проницаемость, как правило, означает более слабое отражение. Радар с подходящим динамическим диапазоном, частотой и конструкцией антенны следует выбирать в зависимости от среды процесса.

Q6: Можно ли устанавливать передающий датчик уровня радара на длинный сопло?

A6: Да, однако диаметр и длина сопла должны соответствовать требованиям конкретной модели.Если сопло слишком длинное или слишком узкое, это может вызывать дополнительные отражения, снижать полезный уровень эха или приводить к возникновению интерференции.

Q7: Следует ли 80GHz Радар всегда используется в силосах для сыпучих и твёрдых материалов?

A7: 80GHz Радар с узким лучом отлично подходит для применения в различных сложных силосах, однако при его выборе необходимо учитывать такие факторы, как наличие пыли, дальность измерения, форма поверхности материала и его отражательная способность.

Q8: В чём заключается основная разница между радаром на основе направляемых волн и радаром без контакта?

A8: Радар без контакта передаёт электромагнитные волны через свободное пространство к поверхности материала, в то время как радар на основе направляемых волн направляет сигнал по стержню или кабелю и, следовательно, использует контактную структуру измерения.

Заключение

Радиолокационные датчики уровня обеспечивают измерение без физического контакта, широкую совместимость с различными средами, работу в вакууме, а также функционирование в условиях строгих требований к температуре или давлению; кроме того, они легко интегрируются в системы промышленной автоматизации. Тем не менее, реальные показатели их работы зависят от отражательной способности среды, типа используемой пены, образования конденсата, накопления электромагнитных помех на антенне, геометрии ёмкости и положения датчика.

Ключевые преимущества радиолокации на высоких частотах — это более короткая длина волны, более узкий луч и компактная антенна, что делает её особенно пригодной для применения на малых судах, в сложных резервуарах и на силосах для твёрдых сырьевых материалов. Радиолокация на низких частотах по-прежнему остаётся востребованной в специфических случаях — при работе с пеноматериалами, в процессах конденсации и в условиях применения специальных сред; в то же время радиолокация на основе направляемых волн находит применение в определённых задачах, связанных с материалами с низкой диэлектрической проницаемостью, на границах фаз, в системах с пеноматериалами и в байпасных камерах.

METRAVON Выбор приборов для измерения на радиолокационном уровне следует осуществлять с учётом среды процесса, диапазона измерений, диэлектрических свойств, температуры процесса, давления процесса, наличия пены, паров, пыли, геометрии ёмкости, а также требуемого интерфейса вывода. Правильный выбор и установка таких приборов, как правило, имеют большее значение, чем простое использование наиболее высокой доступной радиолокационной частоты.