So sánh bộ truyền mức siêu âm và radar: nguyên lý, ứng dụng và hướng dẫn lựa chọn

Các thiết bị truyền tín hiệu mức sử dụng sóng siêu âm và radar đều là những công nghệ không tiếp xúc được ứng dụng rộng rãi trong việc đo mức chất lỏng liên tục và mức vật liệu dạng khối. Cả hai thiết bị này đều xác định khoảng cách giữa cảm biến và bề mặt vật liệu, tuy nhiên chúng sử dụng các loại tín hiệu khác nhau, do đó phản ứng khác biệt khi nhiệt độ, áp suất, hơi, bọt, bụi hoặc các điều kiện quy trình thay đổi.

Các thiết bị siêu âm sử dụng sóng âm, trong khi các thiết bị radar sử dụng sóng điện từ. Sự khác biệt về nguyên lý đo lường này là nguyên nhân chính khiến hai công nghệ này có phạm vi ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn cần được thực hiện dựa trên môi trường quy trình, độ chính xác yêu cầu, điều kiện lắp đặt và tổng chi phí dự án.

1. Thiết bị truyền tín hiệu mức siêu âm hoạt động như thế nào?

Một thiết bị truyền tín hiệu mức bằng sóng siêu âm được lắp đặt phía trên bề mặt vật liệu và phát ra một xung âm thanh hướng tới chất lỏng hoặc chất rắn. Xung này được phản xạ bởi bề mặt và sau đó được thiết bị chuyển đổi sóng siêu âm tiếp nhận lại.

Thiết bị này tính toán khoảng cách dựa trên thời gian truyền sóng âm khứ hồi:

Khoảng cách = Tốc độ âm thanh × Thời gian khứ hồi ÷ 2

Khi biết được độ cao tham chiếu của thiết bị lắp đặt, độ cao thực tế có thể được tính theo công thức sau:

Độ cao thực tế = Độ cao tham chiếu − Khoảng cách đo được

Do sóng âm truyền qua không gian khí giữa cảm biến và bề mặt vật liệu, nên các thay đổi về nhiệt độ không khí, thành phần khí và hơi nước,Khối lượng bọt khí và lưu lượng luồng khí mạnh có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền âm thanh cũng như chất lượng tiếng vang. Do đó, các bộ phát sóng siêu âm công nghiệp thường áp dụng cơ chế bù nhiệt độ nhằm giảm thiểu sai số do nhiệt độ gây ra.

2. Thiết bị truyền tín hiệu radar đo mức hoạt động như thế nào?

Thiết bị truyền tín hiệu radar đo mức phát ra các sóng điện từ tần số cao từ ăngten hướng tới bề mặt vật liệu. Các sóng này được phản xạ bởi chất lỏng hoặc chất rắn, sau đó được ăngten thu nhận lại.

Thiết bị này xác định khoảng cách dựa trên thời gian truyền tín hiệu, hoặc trong hệ thống radar FMCW, dựa trên sự chênh lệch tần số giữa tín hiệu được phát ra và tín hiệu được phản xạ.Khoảng cách đã đo sau đó được chuyển đổi thành độ cao thực tế.

Radar không phụ thuộc vào tốc độ âm thanh trong không khí và có thể hoạt động trong điều kiện chân không. Thiết bị này thường ít nhạy cảm hơn với những thay đổi về nhiệt độ, áp suất và dòng khí của không khí. Hiệu suất thực tế của radar chịu ảnh hưởng nhiều hơn bởi các đặc tính điện môi, thiết kế ăng-ten, lớp xốp, hiện tượng ngưng tụ, bụi bẩn và cấu trúc lắp đặt.

3.Các điểm khác biệt chính giữa phương pháp đo mức bằng sóng siêu âm và radar:

4. Liệu việc đo lường bằng sóng siêu âm có bị giới hạn trong các điều kiện khí quyển?

Phạm vi hoạt động của thiết bị truyền tín hiệu mức sóng siêu âm phụ thuộc vào từng sản phẩm cụ thể. Các thiết bị công nghiệp hiện có nhiều loại với các thông số chịu được về nhiệt độ quy trình, nhiệt độ môi trường và áp suất khác nhau, do đó việc đo lường bằng sóng siêu âm không chỉ giới hạn ở các bồn chứa hở, hoàn toàn không được áp suất hóa.

Tuy nhiên, các sóng siêu âm cần phải truyền qua vùng khí nằm phía trên vật liệu. Nhiệt độ cao, áp suất lớn, hơi nặng, thành phần khí bất thường hoặc gradient nhiệt độ lớn có thể làm tăng yêu cầu đối với môi trường đo lường. Những điều kiện này cần được đánh giá dựa trên đặc tính kỹ thuật của bộ chuyển đổi và thiết bị đo đã được lựa chọn.

5. Liệu radar có thể thay thế sóng siêu âm trong mọi ứng dụng?

Cảm biến radar và cảm biến siêu âm có phạm vi ứng dụng có phần trùng lặp nhưng cũng có những điểm khác biệt. Radar thường cung cấp phạm vi hoạt động rộng hơn trong các quy trình công nghiệp có điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao, chân không, giàu hơi hoặc các điều kiện vận hành khắt khe. Trong khi đó, cảm biến siêu âm vẫn là giải pháp đã được kiểm chứng về hiệu quả và tính kinh tế cho nhiều hệ thống như bể chứa nước, bể xử lý nước thải, kênh dẫn mở và các ứng dụng thông thường trong môi trường khí quyển.

Công nghệ cuối cùng cần được lựa chọn dựa trên các điều kiện quy trình, yêu cầu về hiệu suất đo lường, các ràng buộc về lắp đặt và chi phí dự án, thay vì xem một công nghệ là giải pháp thay thế toàn diện cho công nghệ còn lại.

6. Công nghệ nào phù hợp hơn khi có sự hiện diện của bọt?

Bọt là một điều kiện gây thách thức đối với cả hai công nghệ. Lớp bọt dày có thể hấp thụ năng lượng siêu âm và làm giảm đáng kể tín hiệu hồi âm thực giữa chất lỏng và bề mặt.Radar cũng có thể bị suy giảm hoặc phản xạ bởi lớp xốp, tùy thuộc vào độ dày của lớp xốp, hàm lượng nước, cấu trúc bong bóng, đặc tính của môi trường và tần số hoạt động.

Khí bọt nhẹ hoặc bọt xuất hiện từng đoạn vẫn cho phép thực hiện phép đo đáng tin cậy bằng cả hai công nghệ này. Với loại bọt đặc liên tục, có thể cần thực hiện so sánh chi tiết hơn giữa radar không tiếp xúc, radar sóng dẫn hướng, phương pháp đo dựa trên áp suất hoặc một công nghệ đo lường phù hợp khác.

7. Công nghệ nào phù hợp hơn cho các silo chứa vật liệu rắn dạng khối có nhiều bụi?

Cả công nghệ siêu âm và công nghệ radar đều có thể được sử dụng cho một số ứng dụng cụ thể với vật liệu dạng khối rắn, tuy nhiên bụi, bề mặt vật liệu có độ dốc và hiện tượng tán xạ âm thanh có thể làm giảm phạm vi hoạt động hiệu quả của các thiết bị siêu âm.

Radar tần số cao, đặc biệt là 80GHz Hệ thống radar cung cấp một chùm tia hẹp, giúp tránh được các bức tường silo, các chùm tia và cấu trúc bên trong. Do đó, thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các silo chứa xi măng, ngũ cốc, khoáng sản, than đá và nguyên liệu hóa chất.

Việc lựa chọn vẫn cần xem xét nồng độ bụi, chiều cao silo, góc tiếp xúc giữa vật liệu và bề mặt silo, đặc tính điện môi của vật liệu cũng như vị trí lắp đặt khả dụng.

8. Công nghệ nào mang lại độ chính xác cao hơn?

Độ chính xác của thiết bị đo không thể được xác định chỉ dựa trên các từ như “radar” hay “ultrasonic”. Các thiết bị đo khác nhau có các cấp độ độ chính xác, phạm vi đo, khả năng xử lý tín hiệu và giới hạn ứng dụng khác nhau. Chất lượng lắp đặt cũng như điều kiện vận hành cũng ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế trong môi trường thực tế.

Radar thường duy trì độ ổn định trong các phép đo trên một phạm vi rộng hơn về nhiệt độ, áp suất và điều kiện hơi, từ đó cung cấp thêm nhiều lựa chọn sản phẩm cho các ứng dụng kiểm soát quy trình và lưu trữ có yêu cầu khắt khe. Trong các ứng dụng đo mức nước truyền thống có điều kiện ổn định, các thiết bị siêu âm cũng có thể đạt được độ chính xác đáp ứng được yêu cầu của dự án.

– 9. Chi phí so sánh như thế nào?

Không có tỷ lệ giá thành cố định giữa các thiết bị truyền tín hiệu mức bằng radar và thiết bị truyền tín hiệu mức bằng sóng siêu âm. Chi phí sản phẩm phụ thuộc vào phạm vi đo, thiết kế radar hoặc thiết kế âm học, độ chính xác, nhiệt độ và áp suất trong quá trình vận hành, lớp bảo vệ vỏ thiết bị, chứng nhận phù hợp với khu vực có nguy cơ, loại vật liệu sử dụng, cấu trúc ăng-ten hoặc bộ chuyển đổi, cũng như các giao diện truyền thông.

Trong các hệ thống đo mức nước trong môi trường khí quyển thông thường, các thiết bị phát sóng siêu âm thường là giải pháp tiết kiệm chi phí. Đối với các bồn chứa ở nhiệt độ cao hoặc chịu áp suất, các quy trình trong điều kiện chân không, các bồn chứa chứa hơi nặng hoặc đầy bụi, khả năng ứng dụng rộng hơn của radar có thể phù hợp tốt hơn với các yêu cầu kỹ thuật.

10. Công nghệ nào phù hợp với từng loại ứng dụng khác nhau?

Các bể chứa nước và hồ chứa nước

: Cả công nghệ siêu âm và radar đều có thể được sử dụng. Việc lựa chọn có thể dựa trên điều kiện môi trường, độ chính xác yêu cầu và ngân sách dự án.

: Các bể xử lý nước thải

Cần xem xét hiện tượng bong bóng, hơi và chuyển động bề mặt. Công nghệ siêu âm phù hợp với nhiều điều kiện thông thường, trong khi công nghệ radar có thể được đánh giá trong các môi trường có yêu cầu khắt khe hơn.

– Các bồn chứa ở nhiệt độ cao hoặc được gia áp

Các thiết bị radar có thông số kỹ thuật phù hợp về nhiệt độ và áp suất trong quá trình vận hành thường được đánh giá trước tiên. Thiết bị chân không

Radar sử dụng sóng điện từ và phù hợp cho việc đo mức chân không.

Silo dạng khối rắn;

Trong các trường hợp có lượng bụi cao, phạm vi đo dài và cấu trúc silo phức tạp, thường ưu tiên sử dụng radar tần số cao.

Các kênh hở

Phương pháp đo bằng sóng siêu âm có lịch sử ứng dụng lâu đời và ưu điểm về chi phí, trong khi phương pháp radar cũng có thể được lựa chọn tùy theo điều kiện môi trường.

11. Cần cung cấp những thông tin nào để thực hiện việc lựa chọn?

– Câu hỏi thường gặp;

– Câu hỏi 1: Liệu phương pháp đo mức bằng radar có luôn tốt hơn phương pháp đo mức bằng sóng siêu âm hay không?

A1: Hai công nghệ này có phạm vi ứng dụng khác nhau. Radar thường được sử dụng trong các điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ, áp suất, chân không, hơi và bụi; trong khi các bồn chứa nước, kênh dẫn hở và các ứng dụng trong môi trường khí quyển thông thường có thể sử dụng cả hai công nghệ tùy theo yêu cầu của dự án.

Q2: Các thiết bị truyền tín hiệu mức siêu âm có thể được sử dụng trên các bồn chứa có áp suất không?

A2: Một số mẫu thiết bị được lựa chọn có thể hoạt động trong điều kiện áp suất giới hạn.Áp suất quy trình được phép phụ thuộc vào cấu trúc của bộ chuyển đổi và thiết bị đo lường. Đối với các bình chịu áp suất cao, việc đánh giá hệ thống radar hoặc một công nghệ phù hợp khác thường được yêu cầu thực hiện.

Hỏi 3: Radar có bị ảnh hưởng bởi bọt xốp không?

A3: Có. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào độ dày của bọt xốp, hàm lượng nước, cấu trúc bong bóng, tần số của thiết bị radar và các đặc tính của môi trường xử lý. Đối với bọt xốp đặc chắc và tồn tại lâu dài, cần được đánh giá riêng biệt.

Hỏi 4: Tại sao phép đo bằng sóng siêu âm lại cần được bù nhiệt độ?

A4: Tốc độ truyền âm trong không khí thay đổi theo nhiệt độ. Việc bù nhiệt độ giúp hiệu chỉnh phép tính tốc độ âm và giảm sai số khoảng cách do ảnh hưởng của nhiệt độ gây ra.

Q5: Radar có thể hoạt động trong môi trường chân không không?

A5: Có. Radar sử dụng sóng điện từ và không cần không khí làm môi trường truyền sóng. Thiết bị được lựa chọn vẫn phải đáp ứng các thông số kỹ thuật về nhiệt độ quy trình, áp suất và đặc tính cơ học theo yêu cầu.

Q6: Các chất rắn dạng khối nên được đo bằng sóng siêu âm hay radar?

A6: Cả hai công nghệ này đều có thể được sử dụng đối với một số loại chất rắn nhất định.Trong các ứng dụng silo có lượng bụi cao, phạm vi hoạt động xa hoặc cấu trúc phức tạp, người ta thường ưu tiên sử dụng radar tần số cao; trong khi các ứng dụng đơn giản hơn, phạm vi hoạt động ngắn, cũng có thể sử dụng phương pháp đo bằng sóng siêu âm.

Câu hỏi 7: Thiết bị truyền tín hiệu mức bằng radar có luôn có giá thành gấp đôi thiết bị truyền tín hiệu bằng sóng siêu âm không?

A7: Không. Không có tỷ lệ giá cố định nào. Chi phí phụ thuộc vào phạm vi đo, tần số, độ chính xác, vật liệu, chỉ định nhiệt độ và áp suất, hệ thống bảo vệ, chứng nhận và các giao diện truyền thông.

Q8: Cả hai công nghệ này có thể kết nối với PLC không?

A8: Có. Tùy theo loại thiết bị, các giao diện như 4-20mA, RS485 Modbus RTU và HART có thể được sử dụng để tích hợp với PLC, DCS, RTU và các hệ thống thu thập dữ liệu.

– Kết luận

Điểm khác biệt chính giữa các thiết bị truyền tín hiệu đo mức sử dụng sóng siêu âm và radar nằm ở tín hiệu đo. Các thiết bị siêu âm sử dụng sóng âm, do đó nhiệt độ môi trường khí, thành phần khí, hơi và bọt có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền của sóng. Trong khi đó, thiết bị radar sử dụng sóng điện từ và thường cung cấp phạm vi hoạt động rộng hơn trong điều kiện chân không cũng như khi nhiệt độ và áp suất thay đổi.

Radar không nhằm mục đích thay thế mọi ứng dụng sóng siêu âm, và công nghệ sóng siêu âm cũng không chỉ giới hạn trong các bồn chứa hoàn toàn hở, không có hơi. Các ứng dụng đo mức nước truyền thống và trong kênh hở có thể tận dụng được độ trưởng thành cũng như tính hiệu quả về chi phí của phương pháp đo bằng sóng siêu âm; trong khi đó, các điều kiện vận hành ở nhiệt độ cao, dưới áp suất, trong môi trường chân không, có nhiều hơi hoặc chứa nhiều bụi thường cho thấy sự cần thiết phải xem xét sử dụng radar.

METRAVON có thể cấu hình các giải pháp đo mức bằng sóng siêu âm hoặc radar phù hợp với loại môi chất trong quy trình, phạm vi đo, nhiệt độ, áp suất, hiện tượng xuất hiện bọt, hơi, bụi, hình dạng thiết bị chứa, cũng như các yêu cầu về giao diện tự động hóa, với các tùy chọn tích hợp cho PLCs, RTU, DCS và các hệ thống giám sát từ xa.