Ưu và nhược điểm của bộ truyền mức radar: lắp đặt, tần số và hướng dẫn lựa chọn

Các thiết bị truyền tín hiệu mức bằng radar được sử dụng rộng rãi để đo mức liên tục trong các bồn chứa công nghiệp, hệ thống xử lý nước, quy trình hóa chất, kho lưu trữ dầu mỏ, sản xuất thực phẩm, khai thác khoáng sản và silo chứa vật liệu dạng khối. Dựa trên nguyên lý đo lường và cấu trúc đầu dò, hệ thống đo mức bằng radar trong công nghiệp thường được chia thành hai loại chính: radar không tiếp xúc và radar sóng dẫn hướng.

Bộ phát radar không tiếp xúc phát ra các sóng điện từ qua ăng-ten về phía bề mặt vật liệu và tính toán khoảng cách dựa trên tín hiệu phản xạ. Trong khi đó, radar sóng dẫn lại hướng xung radar theo một thanh dẫn hoặc cáp dẫn. Cả hai công nghệ này đều dựa trên các nguyên lý của radar, nhưng phương thức lắp đặt, phạm vi ứng dụng phù hợp và yêu cầu bảo trì lại khác biệt.

1. Bộ phát thiết bị đo mức bằng radar hoạt động như thế nào?

Thiết bị truyền tín hiệu radar mức phát ra các sóng điện từ có tần số cao hướng tới bề mặt quá trình. Khi tín hiệu radar tới bề mặt chất lỏng, hỗn hợp bột hoặc chất rắn dạng khối, một phần tín hiệu sẽ được phản xạ trở lại thiết bị. Thiết bị này phân tích thời gian truyền hoặc sự chênh lệch tần số giữa tín hiệu được phát ra và tín hiệu phản xạ để tính toán khoảng cách từ thiết bị đến bề mặt vật liệu.

Khi biết độ cao tham chiếu của bồn chứa hoặc silo, mức chất liệu thực tế có thể được tính toán theo công thức sau:

Cấp độ = Chiều cao tham chiếu − Khoảng cách từ radar đến bề mặt vật liệu

Các thiết bị radar công nghiệp hiện đại thường sử dụng công nghệ radar xung hoặc FMCW (Sóng liên tục được điều chế theo tần số). Do radar sử dụng sóng điện từ nên không cần không khí làm môi trường truyền dẫn và có thể hoạt động trong điều kiện chân không. Ngoài ra, thiết bị này thường ít nhạy cảm hơn so với phương pháp đo bằng sóng siêu âm trước những biến đổi về nhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí trong không khí.

2. Các loại thiết bị đo mức bằng radar chính gồm những loại nào?

Bộ phát đo mức bằng radar không tiếp xúc

Anten được lắp đặt phía trên vật liệu và không tiếp xúc trực tiếp với môi trường quy trình. Thiết bị này có thể được sử dụng cho các chất lỏng, hỗn dịch, bột, hạt và một số loại chất rắn dạng khối được lựa chọn.

– Radar sóng dẫn;

– xung radar truyền dọc theo một thanh hoặc cáp, do đó sử dụng cấu trúc đo lường tiếp xúc. Thiết bị này phù hợp với các chất lỏng có hằng số điện môi thấp được chọn lọc, các ứng dụng liên quan đến bọt, đo đạc tại vùng giao diện và các buồng vòng quanh.

Radar không tiếp xúc rất phù hợp trong các trường hợp cần hạn chế tối đa việc tiếp xúc trực tiếp với môi chất quy trình, trong khi radar sóng dẫn có thể mang lại lợi thế trong một số ứng dụng cụ thể như xử lý bọt, các vùng ranh giới pha và trong các thiết bị có khoang hẹp. Quyết định lựa chọn cuối cùng cần dựa trên các yếu tố sau: loại môi chất quy trình, nhiệt độ, áp suất, đặc tính của bọt, không gian lắp đặt và điều kiện bảo trì.

– Phiên bản 3.Ưu điểm chính của thiết bị truyền tín hiệu mức radar

: Đo lường liên tục không tiếp xúc

Các ăng-ten radar không tiếp xúc không cần phải được ngâm trong môi trường, nhờ đó giảm thiểu nguy cơ tiếp xúc trực tiếp với hiện tượng ăn mòn, mài mòn và tích tụ chất bẩn trên bề mặt thiết bị.

Khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ và áp suất rộng.

Tùy theo từng mẫu cụ thể, các thiết bị radar có thể được sử dụng trong các môi trường khí quyển, chân không, có áp suất cao và ở nhiệt độ cao.

Phù hợp cho chất lỏng và chất rắn.

Các ứng dụng bao gồm nước, dầu, hóa chất và hỗn hợp bột, cũng như xi măng, ngũ cốc, khoáng chất, than đá và các dạng chất rắn dạng khối khác.

Tia hẹp giúp giảm hiện tượng nhiễu.

Radar tần số cao có thể tạo ra chùm tia đo hẹp, giúp tránh các vật cản bên trong như thành tàu, ống dẫn, dầm kết cấu và các vật cản khác.

Không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự thay đổi mật độ.

Việc đo mức bằng radar không phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh, do đó những thay đổi về mật độ của chất lỏng sẽ không trực tiếp gây ra sai số mức tương tự như trong phương pháp đo thủy tĩnh.

Tích hợp tự động hóa dễ dàng

Tùy theo mẫu thiết bị, các giao diện có thể bao gồm 4-20mA, HART và RS485 Modbus RTU nhằm tích hợp với PLC, DCS, RTU và các hệ thống SCADA.

4. Những hạn chế nào của việc đo mức bằng radar?

Mặc dù radar có phạm vi ứng dụng rộng, nhưng nó không tự động phù hợp với mọi quy trình nếu không được lựa chọn và lắp đặt một cách phù hợp. Độ phản xạ trung bình, vật liệu xốp, sự tích tụ điện cực anten, cấu trúc bên trong và vị trí lắp đặt vẫn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất đo lường.

Môi trường có hằng số điện môi thấp;

Các môi trường phản xạ yếu có thể đòi hỏi dải động cao hơn hoặc sử dụng tần số radar và anten phù hợp hơn.

Bọt dày: Bọt đặc

có thể làm suy giảm tín hiệu radar, do đó không thể giả định rằng radar có thể xuyên qua mọi loại bọt một cách không giới hạn.

Tích tụ điện tích trên ăng-ten nặng

Lớp phủ dày, các lớp cặn bám hoặc hiện tượng ngưng tụ có thể làm giảm chất lượng tín hiệu hồi âm; các yếu tố này cần được đánh giá kết hợp với thiết kế ăng-ten và quy trình xử lý tín hiệu.

Các cấu trúc nội bộ phức tạp:

Các bộ khuấy, cuộn dây gia nhiệt, cấu trúc đỡ và dầm có thể tạo ra các tín hiệu hồi âm giả.

Vị trí lắp đặt

Ngay cả một máy phát rađa hiệu suất cao cũng có thể cho ra kết quả đo không ổn định nếu được lắp đặt ở vị trí không phù hợp.

5. Sự khác biệt giữa rađa tần số cao và rađa tần số thấp là gì?

Tần số của radar ảnh hưởng đến bước sóng, kích thước ăng-ten, góc chùm tia và mức độ phù hợp với các điều kiện quy trình khác nhau. Các công nghệ radar công nghiệp phổ biến bao gồm 24/26GHz và 80GHz radar không tiếp xúc, trong khi các sản phẩm có tần số thấp hơn cũng được sử dụng trong một số ứng dụng được lựa chọn.

Tần số cao hơn đồng nghĩa với bước sóng ngắn hơn. Với cùng kích thước ăng-ten, radar ở tần số cao hơn thường tạo ra chùm tia hẹp hơn.Radar tần số thấp có bước sóng dài hơn và có thể mang lại lợi thế trong một số điều kiện cụ thể như môi trường xốp, điều kiện ngưng tụ hoặc các quy trình đặc biệt.

6. Radar tần số cao được ứng dụng đặc biệt hữu ích trong những trường hợp nào?

Những ưu điểm chính của radar tần số cao là bước sóng ngắn hơn, chùm tia hẹp hơn và ăng-ten có kích thước gọn hơn. Ví dụ, khi sử dụng cùng một loại hoặc loại ăng-ten tương tự,80GHz Radar thường có thể tạo ra một chùm tia hẹp hơn so với 26GHz radar, giúp giảm thiểu ảnh hưởng từ các cấu trúc cố định ở khu vực lân cận.

Các bồn chứa có kích thước hẹp hoặc nhỏ

Các thiết bị chứa ống dẫn, dầm hoặc bộ khuấy

Các silo chứa xi măng, ngũ cốc và khoáng chất

Các ứng dụng yêu cầu anten kích thước nhỏ hoặc kết nối quy trình

Các hệ thống lắp đặt trong đó cần giảm thiểu sự cản trở từ tường hoặc cấu trúc

Các hệ thống đo lường tầm xa đòi hỏi khả năng tập trung chùm tia tốt

Tần số cao hơn không tự động đảm bảo độ chính xác cao hơn đối với mọi thiết bị đo. Hiệu suất thực tế còn phụ thuộc vào phạm vi động, quy trình xử lý tín hiệu, độ phản xạ của môi trường, thiết kế ăng-ten cũng như điều kiện lắp đặt.

– 7. Trong những trường hợp nào nên cân nhắc sử dụng radar tần số thấp hơn hoặc radar sóng dẫn hướng?

Radar tần số thấp vẫn có những ứng dụng quan trọng, dù công nghệ này đã được sử dụng rộng rãi.80GHz công nghệ. Trong các quy trình có hiện tượng tạo bọt kéo dài, hiện tượng ngưng tụ mạnh, điều kiện pha khí bất thường hoặc sử dụng một số môi trường có hằng số điện môi thấp được lựa chọn, việc so sánh hệ thống radar không tiếp xúc ở tần số thấp có thể mang lại lợi ích.80GHz radar và radar sóng dẫn hướng

Do đó, nguyên tắc kỹ thuật đúng đắn không phải là "tần số cao hơn luôn tốt hơn", mà là lựa chọn công nghệ radar phù hợp với độ phản xạ của môi trường, loại xốp, hiện tượng ngưng tụ, phạm vi đo và điều kiện lắp đặt.

8. Các phương pháp lắp đặt phổ biến cho radar không tiếp xúc

Các thiết bị phát ra sóng radar không tiếp xúc thường được lắp đặt từ đỉnh tàu, bồn chứa hoặc silo thông qua kết nối ren, mặt bích, giá đỡ lắp đặt hoặc các dạng kết nối công nghệ phù hợp khác. ăng-ten cần đảm bảo có đường truyền tín hiệu đo lường rõ ràng và nhìn chung nên hướng trực tiếp về phía bề mặt vật liệu trung bình càng nhiều càng tốt.

Tránh đổ các dòng chất lỏng hoặc hạt rắn

Không được hướng thiết bị radar trực tiếp vào các hạt rắn đang rơi xuống, các dòng chất lỏng đang đổ vào hoặc các luồng chất lỏng có tốc độ cao.

Tránh các chướng ngại vật bên trong có kích thước lớn.

Khi có thể, cần tránh các thiết bị khuấy trộn, dầm kết cấu, thang, cuộn dây gia nhiệt và hệ thống đường ống bên trong.

Cần cân nhắc khoảng cách từ thiết bị đến thành bình chứa.

Không nên đặt thiết bị radar quá gần bức tường một cách không cần thiết. Khoảng cách phù hợp phụ thuộc vào góc tia và hướng dẫn lắp đặt của sản phẩm.

Kiểm tra kích thước vòi phun

Vòi phun có dạng dài hoặc hẹp có thể tạo ra các phản xạ bổ sung; do đó, vòi phun phải tuân thủ các kích thước được phép đối với mẫu thiết bị đã chọn.

9. Liệu dấu chỉ hướng mặt bích có bắt buộc phải luôn hướng về phía bức tường của bồn chứa?

Không. Một số thiết bị phát ra tín hiệu radar có dấu chỉ định hướng trên mặt bích, ăng-ten hoặc vỏ máy, và nhà sản xuất có thể quy định một hướng cụ thể so với thành tàu, khe hở vòng quanh hoặc cấu trúc bên trong. Tuy nhiên, yêu cầu này phụ thuộc vào thiết kế ăng-ten, dạng phân cực và loại thiết bị cụ thể.

Nếu sản phẩm có nhãn định hướng, sản phẩm này cần được lắp đặt theo hướng dẫn dành riêng cho chính mẫu thiết bị đó, thay vì áp dụng chung một nguyên tắc “mũi hướng về tường” cho mọi thiết bị phát ra tín hiệu radar.

10. Làm thế nào để lắp đặt thiết bị radar trong silo chứa nguyên liệu dạng khối?

Bề mặt của các vật rắn khối thường không nằm ngang và có thể tạo thành một góc nghỉ. Quá trình nạp liệu cũng có thể tạo ra bụi và làm thay đổi liên tục hình dạng vật liệu. Vì lý do này, thiết bị radar thường không nên được lắp đặt trực tiếp phía trên dòng vật liệu đang được nạp.

Điểm lắp đặt cần đảm bảo mức độ trung bình đại diện và tín hiệu phản hồi ổn định. Đối với các silo cao hoặc có cấu trúc phức tạp, có thể sử dụng mặt bích điều chỉnh được hoặc các phương án điều chỉnh góc khác, miễn là được sản phẩm hỗ trợ, nhằm hướng chùm tia radar một cách hiệu quả hơn tới bề mặt mục tiêu.

Nếu tín hiệu phản hồi bị ảnh hưởng bởi các bức tường, dầm đỡ hoặc các cấu trúc cố định khác, có thể áp dụng kỹ thuật triệt tiêu tiếng phản hồi giả nhằm giảm thiểu tác động từ những phản xạ cố định này.

11. Kìm chế hồi âm giả là gì?

Tín hiệu radar có thể bị phản xạ không chỉ bởi bề mặt vật liệu mà còn bởi thành tàu, các dầm kết cấu, ống dẫn, thiết bị khuấy và các bộ phận nội bộ khác của thiết bị. Những tín hiệu phản xạ cố định này có thể bị hiểu nhầm là mức độ quá trình.

Các thiết bị truyền tín hiệu đo mức bằng radar hiện đại thường được tích hợp chức năng triệt tiêu tiếng vang giả hoặc chức năng học tiếng vang. Những chức năng này giúp hệ thống nhận diện và lưu trữ vị trí hoặc đặc tính của các vùng phản xạ cố định, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng của chúng đến kết quả đo mức thực tế.

: Chức năng triệt tiêu tiếng vang giả là một công cụ hỗ trợ trong quá trình vận hành thiết bị, chứ không thể thay thế cho việc lắp đặt đúng quy trình kỹ thuật. Những chướng ngại vật có thể được tránh được nhờ việc đặt cảm biến hợp lý cần được xử lý ngay từ giai đoạn thiết kế hệ thống lắp đặt.

12. Thiết bị ra-đa sóng dẫn được lắp đặt như thế nào?

Radar sóng dẫn sử dụng một thanh hoặc cáp để dẫn hướng xung radar, do đó các yêu cầu lắp đặt của hệ thống này khác biệt so với radar không tiếp xúc. Thanh hoặc cáp này thường cần được giữ ở vị trí thẳng đứng và không được tiếp xúc với thành tàu, các cấu trúc bên trong hoặc các bộ khuấy trộn.

Đối với các thiết bị dò cáp linh hoạt được sử dụng trong các bồn chứa sâu, cần xem xét cả khả năng chuyển động và việc neo cố định xuống đáy bồn. Radar sóng dẫn có thể hữu ích trong một số trường hợp cụ thể như môi trường xốp, môi chất có hằng số điện môi thấp, đo đạc tại bề mặt phân cách và các ứng dụng đường vòng; tuy nhiên, các sản phẩm có tính dính hoặc dễ tạo lớp cặn có thể tích tụ trên đầu dò, dẫn đến gia tăng nhu cầu bảo trì.

13. Những thông tin nào cần được xác nhận trước khi tiến hành lựa chọn và lắp đặt hệ thống radar?

– Câu hỏi thường gặp;

– Câu hỏi 1: Liệu radar tần số cao có luôn tốt hơn radar tần số thấp hay không?

A1: Không. Radar tần số cao mang lại những ưu điểm như chùm tia hẹp và ăngten nhỏ gọn; tuy nhiên, trong một số trường hợp sử dụng như môi trường xốp, môi trường có độ ẩm cao hoặc môi trường đặc biệt, radar tần số thấp hoặc radar sóng dẫn có thể phù hợp hơn.

Q2: Vì sao radar 80GHz lại phù hợp với các tàu nhỏ?

A2: Với cùng hoặc kích thước ăngten tương tự, radar 80GHz thường có thể tạo ra chùm tia hẹp hơn và sử dụng ăngten nhỏ hơn, nhờ đó dễ dàng tránh được các thành tàu cũng như các cấu trúc bên trong tàu.

Q3: Radar tần số thấp có bước sóng dài hơn hay ngắn hơn?

A3: Bước sóng dài hơn. Tần số thấp tương ứng với bước sóng dài, trong khi tần số cao tương ứng với bước sóng ngắn.

Q4: Việc đo lường ở cấp độ radar có bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất không?

A4: Sự lan truyền của sóng điện từ thường không bị ảnh hưởng đáng kể bởi những biến thiên thông thường về nhiệt độ hoặc áp suất của không khí; tuy nhiên, thiết bị đo vẫn có các giới hạn nhiệt độ và áp suất được quy định riêng đối với bộ phận cơ khí, hệ thống bịt kín và các thành phần điện tử.

Q5: Radar có thể đo được các môi trường có hằng số điện môi thấp không?

A5: Đúng, tuy nhiên hằng số điện môi thấp hơn thường dẫn đến khả năng phản xạ yếu hơn. Cần lựa chọn hệ thống radar phù hợp về phạm vi động, tần số và thiết kế ăng-ten dựa trên loại môi chất trong quy trình sản xuất.

Q6: Có thể lắp đặt thiết bị phát tín hiệu mức radar trên vòi phun dài hay không?

A6: Có thể, nhưng đường kính và chiều dài của vòi phun phải đáp ứng các yêu cầu của từng mẫu thiết bị cụ thể.Một vòi phun có độ dài quá lớn hoặc độ hẹp quá lớn có thể tạo ra các phản xạ bổ sung, làm giảm tín hiệu hồi âm hữu dụng hoặc gây ra hiện tượng giao thoa.

Q7: Có nên một 80GHz Liệu radar có luôn được sử dụng cho các silo chứa vật liệu dạng khối hay không?

A7: 80GHz Radar chùm tia hẹp rất phù hợp cho nhiều silo có cấu trúc phức tạp, tuy nhiên khi lựa chọn thiết bị này vẫn cần xem xét các yếu tố như bụi, phạm vi đo, hình dạng bề mặt vật liệu và độ phản xạ.

Q8: Điểm khác biệt chính giữa radar sóng dẫn hướng và radar không tiếp xúc là gì?

A8: Radar không tiếp xúc phát ra sóng điện từ qua không gian tự do hướng tới bề mặt vật liệu, trong khi radar sóng dẫn hướng tín hiệu dọc theo một thanh hoặc cáp và do đó sử dụng cấu trúc đo lường có tiếp xúc.

Kết luận

Các thiết bị truyền tín hiệu radar cung cấp khả năng đo lường không tiếp xúc, khả năng tương thích rộng với nhiều loại môi chất, hoạt động được trong môi trường chân không cũng như trong các điều kiện nhiệt độ hoặc áp suất khắc nghiệt, đồng thời cho phép tích hợp thuận tiện vào các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Tuy nhiên, hiệu suất thực tế vẫn bị ảnh hưởng bởi độ phản xạ của môi chất, lớp xốp, hiện tượng ngưng tụ, sự tích tụ điện trên ăng-ten, hình dạng của bình chứa và vị trí đặt cảm biến.

Những ưu điểm chính của radar tần số cao là bước sóng ngắn hơn, chùm tia hẹp hơn và ăng-ten có kích thước nhỏ hơn, nhờ đó loại hệ thống này đặc biệt phù hợp với các tàu nhỏ, các bồn chứa có cấu trúc phức tạp cũng như các silo chứa vật liệu dạng khối. Radar tần số thấp vẫn giữ được giá trị trong một số ứng dụng được lựa chọn kỹ lưỡng, như trong các môi trường xốp, môi trường ngưng tụ và các môi trường đặc thù; trong khi đó, radar sóng dẫn lại hữu ích cho một số ứng dụng cụ thể, bao gồm môi trường có hằng số điện môi thấp, các vùng tiếp giáp, môi trường xốp và các buồng chuyển hướng.

METRAVON Các sản phẩm đo lường bằng radar cần được lựa chọn dựa trên môi chất trong quy trình, phạm vi đo, đặc tính điện môi, nhiệt độ quy trình, áp suất quy trình, loại bọt, hơi, bụi, hình dạng thiết bị chứa, cũng như giao diện đầu ra yêu cầu. Việc lựa chọn và lắp đặt phù hợp thường quan trọng hơn việc chỉ đơn thuần chọn tần số radar cao nhất có sẵn.