Đo mức servo hay radar trong bồn: hướng dẫn lựa chọn

Trong lĩnh vực tự động hóa quy trình công nghiệp, quản lý khu chứa hóa chất dầu khí, cũng như các hệ thống đo lường lưu trữ và vận chuyển quy mô lớn, độ chính xác, độ ổn định và khả năng tương thích của các thiết bị đo mức đều có liên quan trực tiếp đến công tác kế toán tài sản và an toàn sản xuất. Thiết bị đo mức servo và thiết bị đo mức bằng radar là hai công nghệ chủ lực trong lĩnh vực đo mức tại bể chứa; mỗi loại đều sở hữu những đặc tính kỹ thuật riêng biệt và phù hợp với các điều kiện vận hành khác nhau.

Bài viết này cung cấp phân tích kỹ thuật chuyên sâu từ các góc độ: nguyên lý vận hành, phương tiện ứng dụng, yêu cầu lắp đặt, cũng như ưu điểm và nhược điểm về hiệu suất; từ đó tạo ra tài liệu tham khảo lựa chọn khách quan dành cho các nhà tích hợp hệ thống, các nhà thầu kỹ thuật (EPC) và các khách hàng công nghiệp.

I. Các thông số kỹ thuật cốt lõi và bảng so sánh lựa chọn:

– Bảng so sánh kích thước;	– Thiết bị đo mức servo;	– Thiết bị đo mức bằng radar;
– Nguyên lý đo lường;	– Thang cân lực nổi kết hợp động cơ servo (vòng khép kín – dịch chuyển);	– Công nghệ sóng liên tục điều chế tần số (FMCW) / công nghệ sóng vi ba xung (không tiếp xúc);
– Độ chính xác đo lường hệ thống;	– ±0,7 mm (độ chính xác cho việc chuyển giao quyền quản lý);	– ±1 mm – ±3 mm (độ chính xác cho quy trình/kiểm soát).
– Phương tiện ứng dụng chính;	– Các sản phẩm dầu nhẹ, hóa chất dễ bay hơi, khí hóa lỏng, v.v.	Dầu thô, dầu nặng, các môi chất có độ nhớt cao và hóa chất có tính ăn mòn mạnh;
Các loại bồn phù hợp;	Bồn có mái cố định theo phương thẳng đứng, bồn có mái nổi, bồn có mái nổi bên trong và bồn hình cầu;	Các loại bồn theo phương thẳng đứng, bồn theo phương ngang, bồn phản ứng và bồn mở;
Hệ thống mở rộng đa chức năng;	Mức chất lỏng, mặt phân cách dầu–nước, mật độ mặt phân cách; và biểu đồ mật độ trung bình	– Đo mức chất lỏng đơn lẻ hoặc đo thông qua giao diện trong điều kiện chênh lệch hằng số điện môi cụ thể
– Ảnh hưởng của độ nhớt chất trung gian	– Các môi trường có độ nhớt cao dễ gây ra sai số đo đạc	– Không bị ảnh hưởng bởi độ nhớt do phương pháp đo không tiếp xúc
– Ảnh hưởng của hơi ở pha khí	– Không bị ảnh hưởng bởi áp suất pha khí, mật độ hơiHoặc bay hơi	Nồng độ hơi hoặc sự ngưng tụ cao có thể gây suy giảm hoặc dịch chuyển tín hiệu
Yêu cầu về giếng dừng	bắt buộc (sai lệch theo chiều dọc ≤ 3 mm)	Tùy chọn (được khuyến nghị cho các bể có cấu trúc bên trong phức tạp)

II. Phân tích chuyên sâu về nguyên lý hoạt động

1. Bộ đo mức servo: Nguyên lý cân bằng nổi cơ học và điều khiển vòng kín

– Bộ đo mức servo hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng nổi cơ học; một động cơ servo cỡ nhỏ điều khiển bộ dịch chuyển nhỏ được treo bằng một sợi dây thép mỏng.

Khi mức chất lỏng thay đổi, lực nổi tác dụng lên dây dẫn cũng thay đổi, dẫn đến sự biến đổi về mô-men xoắn của nam châm trống ngoài; điều này làm thay đổi tín hiệu điện áp được đầu ra bởi cảm biến Hall được hiệu chỉnh theo nhiệt độ – cảm biến này được lắp trên nam châm bên trong.

Bộ xử lý trung tâm (CPU) so sánh điện áp này với điện áp tham chiếu và điều khiển động cơ servo để quay và điều chỉnh vị trí của bộ dịch chuyển cho đến khi trạng thái cân bằng được khôi phục, từ đó hình thành hệ thống đo lường vòng khép kín với độ chính xác lên đến ±0,7 mm.

Hệ thống được trang bị chức năng bù trừ hệ thống treo, cho phép tự động bù trừ các biến đổi lực căng do chất liệu được đo bám vào dây dẫn hoặc bộ dịch chuyển gây ra.

2. Bộ đo mức bằng radar: Sóng điện từ tần số cao và phân tích tiếng vang

Các thiết bị đo mức bằng radar hoạt động dựa trên công nghệ sóng liên tục điều chế tần số (FMCW) hoặc công nghệ sóng vi ba xung. Ăng-ten phát ra các sóng radar tần số cao hướng về bề mặt chất liệu, và tín hiệu phản xạ được Ăng-ten thu lại. Hệ thống phân tích tín hiệu phản xạ thông minh sẽ chuyển đổi tín hiệu thời gian hoặc tần số thành tín hiệu khoảng cách độ chính xác cao, sau đó tính toán mức chất lỏng thực tế bằng công nghệ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP).

III. Các điều kiện vận hành then chốt, phạm vi ứng dụng và yêu cầu lắp đặt tại hiện trường –

1. Khả năng thích ứng mức độ trung bình và chiến lược lựa chọn

Dầu nhẹ có độ bốc hơi cao và hóa chất tinh khiết:Các thiết bị đo mức kiểu servo được ưu tiên sử dụng. Những biến thiên trong hơi pha khí không gây ảnh hưởng đến quá trình đo lực nổi cơ học. Ngoài ra, các thiết bị đo mức kiểu servo có thể điều khiển bộ chuyển vị để hạ xuống trong chất lỏng thông qua chế độ vận hành được lập trình, từ đó cho phép đo ranh giới dầu – nước và phân bố mật độ của môi trường. Đối với dầu thô có độ nhớt cao, dầu nặng và các môi trường ăn mòn mạnh:

Đối với các trường hợp này, các thiết bị đo mức radar không tiếp xúc được ưu tiên sử dụng:. Phương pháp này giúp ngăn ngừa hiện tượng bám dính và tích tụ chất lỏng có độ nhớt cao trên bộ dịch chuyển servo và dây thép, từ đó giảm tần suất bảo trì.

2. Yêu cầu lắp đặt nghiêm ngặt đối với giếng ổn định của thiết bị đo mức servo

Chất lượng lắp đặt giếng ổn định trực tiếp quyết định độ chính xác đo lường và tuổi thọ của thiết bị đo mức servo:

Độ thẳng đứng:Giếng ổn định phải được bố trí theo phương thẳng đứng một cách nghiêm ngặt. Sự lệch giữa đường tâm ở phần trên và điểm trung tâm thẳng đứng ở phần dưới của giếng ổn định không được vượt quá 3 mm.

Yêu cầu về thành ống:Khi hàn nối nhiều đoạn ống thép với nhau, không được có sự thay đổi đường kính hay hiện tượng uốn cong. Tường trong của giếng giảm áp phải nhẵn và không có gai dính; các đường hàn phải được mài phẳng, đồng thời tất cả các gai dính xung quanh các lỗ phải được loại bỏ hoàn toàn nhằm ngăn chặn bộ chuyển động bị kẹt.

3. Làm việc phòng ngừa ngưng tụ và xử lý nhiễu cho thiết bị đo mức bằng radar

Khi chất đo cần được gia nhiệt hoặc có xu hướng hình thành ngưng tụ, hiện tượng ngưng tụ có thể xảy ra trên bề mặt ăng-ten radar, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Cần lắp đặt vỏ bảo vệ chống ngưng tụ bằng PTFE hoặc hệ thống xả khí. Trường hợp cấu tạo bên trong bể chứa phức tạp, nên lắp đặt giếng ổn định hoặc ống dẫn sóng.

IV. METRAVON – Lợi thế về tích hợp và tương thích hệ thống;

– Các thiết bị đo mức METRAVON được tối ưu hóa cho các yêu cầu tích hợp vào hệ thống tự động hóa công nghiệp, mang lại khả năng tương thích và tính mở rộng cao:

– Nhiều giao diện giao thức;– Hỗ trợ nội bộ cho các giao thức tiêu chuẩn 4-20 mA + HART và RS485 (Modbus RTU), với khả năng mở rộng tùy chọn sang profibus-PA và Foundation Fieldbus.

– Tích hợp DCS/SCADA:– Các tệp driver DTM/EDD đầy đủ đã được cung cấp, cho phép tích hợp trực tiếp với các nền tảng DCS phổ biến từ Honeywell, Yokogawa, Schneider, Siemens và các Hệ thống Quản lý Đo lường Bể (TGMS) của bên thứ ba.

Phiên bản V. Câu hỏi thường gặp (FAQ

Q1: Tại sao thiết bị đo mức servo lại ổn định hơn so với thiết bị đo mức bằng radar trong các ứng dụng tại các khu chứa dầu nhẹ và các khu chứa chất dễ bay hơi?

Khi sóng radar đi xuyên qua lớp hơi dễ bay hơi có nồng độ cao, sự thay đổi mật độ hơi có thể gây ra những biến động nhỏ về tốc độ lan truyền sóng radar hoặc mức độ suy giảm tín hiệu, dẫn đến hiện tượng dịch chuyển âm thanh (echo drift). Các thiết bị đo mức servo sử dụng phương pháp theo dõi vòng kín dựa trên nguyên lý nổi cơ học; nguyên lý đo lường bằng tiếp xúc vật lý của chúng không bị ảnh hưởng bởi những biến đổi về tính chất điện từ của pha khí, từ đó đảm bảo độ ổn định cao hơn.

Q2: Thiết bị đo mức servo thực hiện đo lường mật độ chất lỏng trực tuyến như thế nào?

Thiết bị đo mức servo METRAVON có thể sử dụng chương trình nội bộ để điều khiển một động cơ cỡ nhỏ, từ đó điều khiển bộ dịch chuyển hạ xuống các độ sâu khác nhau trong chất lỏng. Bằng cách đo các biến đổi của lực nổi tác động lên bộ dịch chuyển tại các lớp chất lỏng khác nhau, hệ thống có thể tính toán phân bố khối lượng riêng của môi trường – còn gọi là biểu đồ khối lượng riêng – cũng như xác định giá trị khối lượng riêng trung bình trong thời gian thực.

Q3: Khi đo dầu thô có độ nhớt cao, việc xảy ra quá trình kết tinh hoặc ngưng tụ trên ăng-ten radar nên được xử lý như thế nào?

Có thể lựa chọn ăng-ten phẳng được bao bọc bằng lớp kín PTFE, hoặc bổ sung cụm xả khí chịu nhiệt độ cao và chống kết tinh. Khí nitơ hoặc khí dụng cụ có thể được sử dụng để xả định kỳ bề mặt ăng-ten nhằm ngăn ngừa sự tích tụ của chất kết tinh.

Q4: Yêu cầu về nguồn điện và giao diện truyền thông đối với các dụng cụ đo mức servo METRAVON là gì?

Thiết bị hỗ trợ nguồn điện tiêu chuẩn DC 24 V hoặc AC 220 V. Các giao diện đầu ra mặc định bao gồm 4-20 mA (HART) và RS485, Modbus RTU, cho phép tích hợp dễ dàng với các thiết bị PLC, RTU hoặc hệ thống máy tính giám sát tại hiện trường.

Q5: Làm thế nào để xử lý sự cố cảnh báo “Sự bất thường về lực căng dây thép” trên thiết bị đo mức servo?

Trước hết, kiểm tra xem có vật cản do hiện tượng tích tụ hoặc vật lạ bên trong giếng ổn định gây ra sự cản trở cho bộ dịch chuyển hay không. Thứ hai, đánh giá xem độ nhớt của môi trường có thay đổi đáng kể và dẫn đến hiện tượng bám dính hoặc tích tụ nghiêm trọng hay không; cuối cùng, kiểm tra xem sợi thép có được cuộn đều trên đĩa đo hay không.

Q6: Làm thế nào để khắc phục tình trạng "Vùng mù đo lường mức thấp" hoặc hiện tượng khóa tín hiệu trên thiết bị đo mức radar?

Kiểm tra xem có hiện tượng nhiễu phản xạ từ đáy bể hay không và kích hoạt chức năng "Giảm nhiễu từ đáy bể / Giảm tự động tiếng vang giả" thông qua phần mềm vận hành. Ngoài ra, trong quá trình lựa chọn và lắp đặt thiết bị, cần mở rộng hoặc tối ưu hóa hợp lý hệ thống vòi gắn để đảm bảo mức chất lỏng tối thiểu luôn nằm trong phạm vi đo lường hiệu dụng.

VI. Kết luận

Trong các hệ thống bồn chứa công nghiệp hiện đại cũng như các dự án tự động hóa kho bãi và vận chuyển, các loại máy đo mức servo và máy đo mức bằng radar đều sở hữu những ưu điểm riêng biệt. Các thiết bị đo mức servo – với độ chính xác đo lường lên đến ±0,7 mm và khả năng đo mật độ hoặc ranh giới pha – phù hợp cho các ứng dụng đo lường độ chính xác cao liên quan đến các loại dầu nhẹ dễ bay hơi hoặc việc đo lường trong bể chuyển giao hàng hóa. Các thiết bị đo mức radar, dựa trên nguyên lý đo lường không tiếp xúc, rất phù hợp cho các điều kiện vận hành có độ nhớt cao, tính ăn mòn mạnh hoặc các điều kiện vận hành phức tạp khác.

– Là nhà cung cấp thiết bị đo lường chuyên nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, METRAVON cam kết cung cấp cho các nhà tích hợp hệ thống và các nhà thầu kỹ thuật các giải pháp đo mức ổn định, tương thích và dễ dàng mở rộng.

– Lựa chọn dự án và Hỗ trợ kỹ thuật;

– Bạn có cần tài liệu hướng dẫn lựa chọn thiết bị đo mức METRAVON chi tiết, bản vẽ lắp đặt theo CAD hoặc báo giá tùy chỉnh phù hợp với điều kiện vận hành cụ thể của bạn không? Vui lòng liên hệ với các kỹ sư bán hàng của chúng tôi để nhận hỗ trợ lựa chọn sản phẩm chuyên nghiệp theo hình thức cá nhân hóa.