Đo mức bằng radar FMCW: nguyên lý và lựa chọn

I. Thiết bị đo mức bằng radar loại FMCW là gì?

– Thiết bị đo mức bằng radar sóng liên tục điều chế tần số thường được gọi là thiết bị đo mức bằng radar loại(loại FMCW) hoặc.

– Mạch điện bên trong thiết bị tạo ra tín hiệu radar biến đổi liên tục và truyền tín hiệu này qua ăng-ten về phía bề mặt chất liệu được đo. Sau khi tín hiệu đến bề mặt chất liệu, nó sẽ bị phản xạ.Thiết bị phân tích sự chênh lệch tần số giữa tín hiệu truyền đi và tín hiệu phản xạ để tính toán khoảng cách từ radar đến bề mặt môi trường, sau đó chuyển đổi khoảng cách này thành mức độ chất lỏng hoặc mức vật liệu.

Một số thiết bị radar FMCW sử dụng tần số hoạt độnglà 24 GHz và băng thông quét khoảng 1 GHzđể thực hiện quét tuyến tính.Tần số hoạt động, phạm vi quét và hiệu suất đo lường khác nhau tùy theo từng mẫu sản phẩm; thông số kỹ thuật cụ thể cần tham chiếu vào tài liệu kỹ thuật của sản phẩm tương ứng. Bộ đo mức radar

FMCW có thể được sử dụng cho:

• Than;

• Xi măng;

• Thóc;

• Alumina;

• Thạch cao;

• Vật liệu hóa chất, v.v.

Thiết bị này được sử dụng trong các bể chứa, silo và bình chứa trong các ngành công nghiệp như xi măng, hóa chất, bảo vệ môi trường, phát điện và chế biến thực phẩm.

II. Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo mức chất lỏng bằng radar xung là gì?

Bộ đo mức chất lỏng bằng radar xung sử dụng các xung sóng vi ba để đo mức chất lỏng liên tục.

Quy trình đo lường cơ bản có thể được tóm tắt như sau:

Phát xung sóng vi ba → Tán xạ từ bề mặt môi trường → Nhận tín hiệu phản xạ → Tính thời gian lan truyền → Tính toán khoảng cách → Chuyển đổi sang giá trị mức chất lỏng

Các bộ đo mức chất lỏng bằng radar có thể được sử dụng để đo lường liên tục chất lỏng, hỗn hợp lỏng – rắn và vật liệu dạng hạt.

Với các mẫu thiết bị và điều kiện vận hành phù hợp, thiết bị này cũng có thể được ứng dụng trong các môi trường công nghiệp có biến động nhiệt độ hoặc áp suất lớn, hoặc nơi có mặt khí trơ hoặc khí dễ bay hơi.

Do sử dụng phương pháp đo lường vi sóng không tiếp xúc, thiết bị thường không cần các bộ phận đo lường cơ học tiếp xúc trực tiếp với bề mặt chất nền và có thể được lắp đặt trên nhiều loại bình chứa công nghiệp khác nhau.

III. Các yếu tố quyết định cấu hình và chi phí của radar xung

: Giá cả của các thiết bị đo mức radar xung không có mức giá cố định.

Giá thực tế thường phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Phạm vi đo lường;

• Tần số hoạt động;

• Cấu tạo ăng-ten;

• Kết nối quy trình;

• Yêu cầu về khả năng chịu nhiệt;

• Yêu cầu về khả năng chịu áp lực;

• Vật liệu chống ăn mòn;

• Yêu cầu bảo vệ hoặc chống nổ;

• Đầu ra tín hiệu;

• Mô hình cụ thể.

Do đó, các sản phẩm có cùng tên chung là “bộ đo mức chất lỏng bằng radar” có thể có mức giá khác biệt đáng kể do sự khác biệt về cấu tạo sản phẩm và điều kiện ứng dụng.

Trước khi mua hàng, cần xác nhận trước loại chất lỏng và điều kiện tại hiện trường, sau đó cung cấp báo giá dựa trên mẫu sản phẩm cụ thể.

IV. Đặc điểm của các bộ đo mức chất lỏng bằng radar sóng dẫn hướng là gì?

Radar sóng dẫn hướng khác với radar không gian tự do.

Tín hiệu radar được truyền dọc theo thanh dẫn hoặc cáp thép. Khi tín hiệu đến bề mặt môi trường, nó sẽ bị phản xạ và trở lại thiết bị theo đường truyền ban đầu.

Cấu trúc sóng dẫn hướng cho phép năng lượng radar truyền đi theo cách tập trung dọc theo thanh thăm dò, từ đó mang lại lợi thế trong một số phương tiện nhỏ hoặc các ứng dụng liên quan đến môi trường có tính chất điện môi thấp.

Các đặc điểm chung của đồng hồ đo mức chất lỏng sử dụng công nghệ radar sóng dẫn hướng bao gồm:

• Cấu tạo thiết bị nhỏ gọn;

• Yêu cầu không gian lắp đặt tương đối nhỏ;

• Phù hợp cho các bể chứa quy mô nhỏ;

• Năng lượng tập trung dọc theo đầu dò;

• Tín hiệu phản xạ tương đối ổn định;

• Các thông số có thể cấu hình thông qua mô-đun hiển thị cục bộ;

• Phù hợp cho nhiều môi trường đo lường mức chất lỏng phức tạp khác nhau.

Một số thiết bị radar sóng dẫn sử dụng nguồn điện hai dây, cho phép cả việc cung cấp điện năng lẫn truyền tín hiệu quá trình đều được thực hiện thông qua một cáp hai lõi duy nhất.

Cần lưu ý rằng vùng mù cụ thể, độ chính xác, khả năng lặp lại và phạm vi môi trường áp dụng cần được xác định theo thông số kỹ thuật của mẫu thiết bị tương ứng.

V. Tại sao radar sóng dẫn hướng phù hợp cho các bồn chứa cỡ nhỏ?

Radar không gian tự do đòi hỏi một chùm sóng radar nhất định phải được tạo ra bên trong buồng chứa.

Đối với các buồng chứa có đường kính tương đối nhỏ hoặc có nhiều cấu trúc bên trong, thành bồn và các bộ phận bên trong có thể tạo ra các tín hiệu phản xạ bổ sung.

Radar sóng dẫn hướng dẫn hướng tín hiệu qua thanh thăm dò hoặc cáp thép – biện pháp này có thể giảm thiểu sự tương tác giữa chùm sóng radar không gian tự do và các cấu trúc xung quanh.

Do đó, thiết bị radar sóng dẫn hướng có thể được đánh giá dựa trên điều kiện thực tế tại hiện trường đối với:

• các bể chứa cỡ nhỏ;

• không gian lắp đặt hẹp;

• các điều kiện vận hành nhất định với bề mặt chất lỏng biến động;

VI. Chức năng của ăng-ten thiết bị đo mức radar là gì?

ăng-ten là thành phần quan trọng trong hệ thống đo mức bằng radar.

Cảm biến radar phát sóng điện từ hướng về bề mặt môi trường thông qua anten; đồng thời, anten cũng có nhiệm vụ thu các tín hiệu phản xạ từ bề mặt môi trường.

Có thể hiểu như sau:

anten đảm nhận cả việc phát và thu tín hiệu radar.

Cấu trúc ăng-ten ảnh hưởng đến:

• Phạm vi phủ sóng chùm tia radar;

• Khả năng tập trung tín hiệu;

• Kích thước lắp đặt;

• Kết nối quy trình;

• Khả năng thích ứng với bụi hoặc tích tụ vật liệu;

• Hiệu suất trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Các loại ăng-ten radar thông dụng bao gồm:

• Loại thanh;

• Loại nẹp;

• Loại nẹp tích hợp;

• Loại parabol;

• Loại mảng;

• Loại vệ sinh;

• Loại phẳng;

• Loại hình rơi.

Các loại ăng-ten khác nhau phù hợp với các điều kiện địa điểm khác nhau và cần được lựa chọn dựa trên điều kiện môi trường cũng như điều kiện của tàu thuyền.

VII. Sự khác biệt giữa máy đo mức siêu âm và máy đo mức radar là gì?

Điểm khác biệt cơ bản nhất giữa máy đo mức siêu âm và máy đo mức radar nằm ở loại tín hiệu đo lường được sử dụng.

Máy đo mức siêu âm sử dụng sóng âm.

Máy đo mức radar sử dụng sóng điện từ.

– Trong các điều kiện vận hành có lớp bọt xuất hiện trên bề mặt chất lỏng, không thể đơn giản cho rằng mọi thiết bị radar đều có thể xuyên qua lớp bọt này.Độ dày bọt, hàm lượng nước và cấu trúc đều có thể ảnh hưởng đến tín hiệu phản xạ thực tế.

Do đó, tính phù hợp cụ thể vẫn cần được xác nhận tùy theo loại môi trường và mẫu sản phẩm.

VIII. Nguyên lý đo lường của thiết bị đo mức radar là gì?

Một số thiết bị radar sóng dẫn dùng phương pháp phản xạ trong miền thời gian để đo lường.

Các xung điện từ truyền dọc theo cáp thép hoặc thanh thăm dò.Khi tiếp xúc với bề mặt của môi trường được đo, một phần tín hiệu sẽ bị phản xạ tạo thành tín hiệu vang và trở lại thiết bị theo đường truyền ban đầu.

Thiết bị tính toán khoảng cách từ điểm tham chiếu của đầu dò đến bề mặt môi trường dựa trên thời gian truyền sóng điện từ qua đường khứ hồi, sau đó chuyển đổi khoảng cách này thành mức chất lỏng thực tế.

Phương pháp đo này cũng có thể được sử dụng để giám sát mức nước và các loại chất lỏng khác.

IX. Những ngành công nghiệp nào phù hợp để sử dụng máy đo mức radar thông minh?Bộ đo mức radar thông minh

có thể được sử dụng để đo mức liên tục đối với các chất rắn, vật liệu dạng hạt và bột.

Các ngành công nghiệp điển hình bao gồm:

• Than;

• Phát điện;

• Dầu khí;

• Hóa chất;

• Công nghiệp kim loại;

• Thực phẩm;

• Công nghiệp tổng hợp.

Các ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Các buồng chứa than;

• – Buồng chứa tro;

• – Buồng chứa vật liệu dạng hạt rắn;

• – Bể chứa hỗn dịch;

• – Bể chứa dầu;

• – Bể chứa axit và kiềm;

– Phương pháp đo mức bằng radar là một dạng phương pháp đo không tiếp xúc, có thể áp dụng cho nhiều loại môi trường dẫn điện và không dẫn điện khác nhau.

Đối với các môi trường có đặc tính nhớt, nhiệt độ cao, áp suất biến đổi, có bụi hoặc có tính ăn mòn, cần lựa chọn ăng-ten, vật liệu và mẫu radar phù hợp dựa trên điều kiện vận hành thực tế.

X. Mục đích của các tiêu chuẩn liên quan đến thiết bị đo mức radar là gì?

Các tiêu chuẩn liên quan đến thiết bị đo mức radar được sử dụng để quy phạm việc thiết kế, sản xuất, thử nghiệm và ứng dụng thiết bị đo lường.

Đối với các nhà sản xuất, các tiêu chuẩn có thể bao gồm:

• Yêu cầu kỹ thuật mới;

• Thuật ngữ mới;

• Phương pháp thử nghiệm;

• Các yêu cầu về an toàn;

• – Yêu cầu về hiệu suất sản phẩm;

– Đối với các dự án kỹ thuật, việc xác định các tiêu chuẩn mà thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu và việc sản phẩm cụ thể có đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến dự án hay không là điều rất quan trọng;

– Do đó, các tiêu chuẩn nên được xem là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế sản phẩm và ứng dụng kỹ thuật, chứ không nên chỉ được sử dụng như nội dung quảng bá.

Những điều kiện nào cần xác nhận khi lựa chọn bộ đo mức radar?

Câu hỏi thường gặp

Q1: Sự khác biệt giữa Radar FMCW và radar xung là gì?Công nghệ radar

FMCW tính khoảng cách bằng cách quét liên tục tần số và phân tích sự chênh lệch tần số giữa tín hiệu phát ra và tín hiệu phản xạ; công nghệ radar xung chủ yếu tính khoảng cách bằng cách phân tích thời gian lan truyền một vòng của các xung radar. Cả hai công nghệ này đều có thể được sử dụng cho việc đo mức liên tục.

Q2: Liệu máy đo mức radar FMCW có thể chỉ dùng cho chất rắn không?

Không.Tùy theo mẫu mã, radar FMCW có thể được sử dụng để đo mức vật liệu rắn cũng như đo mức chất lỏng. Việc áp dụng thực tế phụ thuộc vào thiết kế sản phẩm và điều kiện vận hành tại hiện trường.

Q3: Tại sao radar sóng dẫn hướng phù hợp với các môi trường có hằng số điện môi thấp?

: Radar sóng dẫn hướng tập trung và dẫn hướng năng lượng điện từ dọc theo thanh cảm biến hoặc cáp thép, nhờ đó có thể thu được các tín hiệu phản xạ tương đối ổn định trong một số môi trường có tính chất điện môi thấp.Tuy nhiên, yêu cầu điện môi tối thiểu cụ thể vẫn cần được xác nhận từ tài liệu thông số sản phẩm.

Q4: Liệu ăng-ten cho thiết bị đo mức chất lỏng bằng radar có kích thước lớn hơn có luôn tốt hơn không?

– Không. ăng-ten phải được phù hợp với tần số hoạt động, phạm vi đo lường, không gian lắp đặt và môi trường sử dụng. Các cấu trúc ăng-ten khác nhau phục vụ cho các mục đích khác nhau; hiệu suất không thể được xác định chỉ dựa trên kích thước của ăng-ten.

Q5: Liệu thiết bị đo mức radar có luôn chính xác hơn so với đồng hồ đo mức bằng công nghệ siêu âm?

– Kết luận này không thể được xem là kết luận tuyệt đối; độ chính xác thực tế phụ thuộc vào mẫu máy cụ thể, khoảng cách đo, điều kiện của chất lỏng hoặc chất rắn và điều kiện lắp đặt. Trong các điều kiện vận hành phức tạp – như môi trường có bụi nhiều, hơi nước hoặc chân không – công nghệ radar thường có phạm vi ứng dụng rộng hơn.

Q6: Thiết bị đo mức bằng radar có thể đo được mức chất lỏng thực tế nằm dưới lớp bọt không?

– Điều này phụ thuộc vào tính chất của lớp bọt. Các loại bọt khác nhau sẽ gây ra mức độ phản xạ và suy giảm sóng radar khác nhau; do đó, không nên giả định rằng sóng radar có thể xuyên thấu mọi loại bọt.

Kết luận

– Các bộ đo mức radar loại FMCW xác định khoảng cách đến bề mặt của chất liệu thông qua phương pháp quét tần số liên tục; thiết bị này có thể được sử dụng để theo dõi mức độ của than, xi măng, ngũ cốc, alumin, đá vôi, nguyên liệu hóa học và các loại vật liệu khác.

: Mặc dù radar xung, radar FMCW và radar sóng dẫn hướng đều thuộc nhóm công nghệ đo mức bằng radar, nhưng chúng có sự khác biệt về phương pháp truyền tín hiệu và phương pháp xử lý tín hiệu.

Trong quá trình lựa chọn thực tế, các yếu tố sau đây cần được xem xét đặc biệt:

Loại thiết bị, khoảng cách đo lường, tính chất điện môi, nhiệt độ, áp suất, bụi, bọt khí, hơi nước, tính ăn mòn, độ nhớt và cấu trúc ăng-ten.

: Việc lựa chọn nguyên lý hoạt động của radar và ăng-ten phù hợp với điều kiện vận hành cụ thể có ý nghĩa thực tiễn lớn hơn so với việc chỉ so sánh tần số, phạm vi đo lường hoặc giá thành.