Что измеряет радарный уровнемер
Радарный уровнемер и его описание.
Основной принцип действия радарного уровнемера (датчика уровня) — измерение времени прохождения радиоволны от приёмника (антенны уровнемера) до измеряемого объекта.
Принцип действия уровнемеров
http://www.limaco.ru/u_images/pic_1.gif» />
Современные уровнемеры (), производимые фирмой Лимако, основаны на непрерывном преобразовании
радиоизлучения по частоте. Это означает, что микроволновый генератор посылает сигнал, частота которого будет изменяться во времени по линейному закону. Такой сигнал излучается по направлению к
измеряемому объекту, затем отражается от него и через какой-то промежуток времени приходит на антенну. Отражённый и излучённый сигналы поступают в датчик уровня, в котором они смешиваются. Таким
образом получается новый сигнал, частота которого будет равна разнице частот этих двух сигналов. Также будет вычитаться и разница расстояний от антенны до объекта. Далее датчик уровня обработает
новый сигнал с помощью микропроцессора.
Радарные уровнемеры содержат следующие узлы:
Рассмотрим вкратце каждый из узлов.
Антенна
Антенна формирует радиолуч. Такой луч представляет из себя конус, если он будет распространяться в неограниченном пространстве. Его вершина будет совпадать с основанием антенны.
Угол раскрытия конуса обратно пропорционален диаметру антенны и частоте излучения. То есть, чтобы получить заданную ширину луча, который способен свободно распространяться, не задевая стенки
резервуара, следует увеличить либо частоту, либо габариты антенны. При одинаковой же ширине луча, габаритные размеры самой антенны будут во столько раз меньше, во сколько раз частота выше по
сравнению с уровнемером меньшей частоты излучения.
Чтобы точность измерений была высокой, необходимо иметь и высокое соотношение сигнала к шуму на выходе прибора. Эта величина будет тем больше, чем уже луч. Его уменьшение достигается за счёт
увеличения частоты излучения или же габаритов прибора.
Также на точность измерения влияет и выпадение конденсата в приборе: чем конденсата больше, тем выше погрешность измерений. Как известно, конденсат образовывается только на тех поверхностях,
температура которых ниже температуры окружающей среды. Поэтому избежать образования конденсата на антенне уровнемера можно путём подогревания его корпуса.
У современных уровнемеров, таких как УЛМ, поверхность самой антенны будет всегда теплее, чем окружающая среда. В них выпадение конденсата сведено к нулю.
Блок приёма-передачи
Здесь можно сказать одно: чем выше рабочая частота блока приёма-передачи, тем датчик уровня () будет чувствительнее и точнее. Этот блок — самая дорогостоящая деталь уровнемера.
Сигнальный процессор
Задача сигнального процессора — выделить полезный сигнал, в котором содержится информация об измерениях, и вычислить его частоту. На рынке выпускаются высокопроизводительные процессоры, поэтому
обработка сигнала не вызывает никаких проблем.
Коммуникационный контроллер
Именно он является связующим звеном между уровнемером и измеряемыми объектами. Доля стоимости коммуникационного контроллера в сравнении со стоимостью всего уровнемера составляет единицы
процента.
Выбираем датчик уровня
http://www.limaco.ru/u_images/ULM11_Little.jpg»
/>
На рынке присутствует достаточное количество моделей уровнемеров. Но какой же выбрать потребителю?
Для начала следует внимательно изучить технические характеристики. Например, вместо производительности производитель использует термин «разрешающая способность», но эти два понятия различны. Очень
часто указывается достаточно высокое значение точности измерения, а на практике оказывается, что оно намного ниже. Нет, производитель не врёт, просто эта величина относится к нормальным условиям
использования, которые являются идеальными.
Потребителю нужно знать чётко: чем больше частота уровнемера, тем больше будет и точность измерений. Соответственно, такие уровнемеры будут дорогими.
Производители могут не указать быстродействие уровнемера, что является немаловажной характеристикой. Для этого достаточно самостоятельно поинтересоваться этим параметром.
Радарные, радиолокационные или микроволновые уровнемеры.
Сперва, поговорим, вообще, о технологии работы радаров и уровнемеров в частности.
Рисунок 1. Уровнемер Saab TankRadar в настоящее время.
До этого нововведения, для целей контроля уровня использовались измерительные системы, главным недостатком которых являлась зависимость точности показаний от давления, температуры, плотности среды. Радарные уровнемеры были лишены этих недостатков, что и обусловило их быстрое распространение во всех отраслях промышленности.
Рисунок 2. Принцип действия радиолокационного уровнемера.
Вообще, существует два типа микроволновых уровнемеров:
Импульсные радарные уровнемеры излучают сигнал в импульсном (кратковременное излучение через равный промежуток времени) режиме. Прием отраженного сигнала, в этом случае, осуществляется в промежутках между испускаемыми импульсами. Импульсный радиолокационный уровнемер измеряет время прохождения сигнала туд-обратно, и таким образом определяет расстояние до поверхности контролируемой среды. Это наиболее простой и экономный, в плане электропитания, уровнемер. Однако, в виду того, что такие уровнемеры имеют недостатки, связанные со сложностью их изготовления, они не нашли широкого применения для точных измерений уровня. Ведь достигнуть малой длительности излучаемого импульса (импульс должен быть наносекундным, чтобы закончиться раньше, чем вернется отраженный импульс), а после измерить этот сверхкороткий импульс достаточно сложно, даже при современном развитии науки и техники. При слабой отражающей способности измеряемой среды, импульс может попросту «потеряться», поэтому передатчик импульсного уровнемера должен быть достаточно мощным. В основном, это уровнемеры иностранного производства.
Как правило, рабочая частота радарных СВЧ уровнемеров, вне зависимости от типа, варьируется от 5,8 до 26 ГГц. Здесь есть одна закономерность: чем выше рабочая частота, тем выше энергия излучения и тем более узок луч и, как следствие, тем сильнее отраженный сигнал. Именно поэтому, большинство высокочастотных уровнемеров способны измерять уровень наполнения емкости для сред с низкой диэлектрической проницаемостью и слабой отражательной способностью. Радарные уровнемеры удобны для работы в емкостях, в которых установлено различное оборудование, «съедающее» рабочее пространство для эксплуатации уровнемера.
Однако, стоит упомянуть, что высокочастотные радарные уровнемеры достаточно чувствительны к таким факторам, как испарения, конденсат, запыленность, волнение на поверхности измеряемой среды, налипание среды на поверхности приемно-излучательной антенны. Для таких условий, больше подойдут уровнемеры с частотой от 5,8 до 10 ГГц, а также устройства с подогревом антенны, или антенной, спрятанной внутрь корпуса.
Рисунок 3. Радарный уровнемер с рупорной или конической антенной.
Рисунок 4. Радарный уровнемер со стержневой антенной.
Рисунок 5. Радарный уровнемер с тросовой антенной.
Рисунок 6. Радарный уровнемер с трубчатой (коаксиальной) антенной.
Рисунок 7. Радарный уровнемер с параболической антенной
Рисунок 8. Радарный уровнемер с планарной (микрополосковой) антенной.
Итак, радарные уровнемеры, на данный момент, отвечают самым высоким требованиям: точность, надежность, диаметр измерения, простота установки и эксплуатации. Однако, помимо достоинств, у радиолокационных уровнемеров есть и недостатки: высокая цена, которая складывается из стоимости приемопередающего блока и самой антенны.
Кстати, особняком стоят микроволновые радарные сигнализаторы уровня, которые предназначаются для оповещения о достижении определенного уровня средой и подачи сигнала на пульт управления или на запорные клапаны или другую аппаратуру. Такими сигнализаторами являются: «РСУ-1» и «РСУ-3», для тяжелых сыпучих продуктов «РСУ-1Р-2» и «РСУ-1Р-2А», «РСУ-1Р» и «РСУ-1РА» для сыпучих материалов температурой до +200oC, для неабразивных сыпучих материалов «РСУ-2» и «РСУ-2А», «РСУ-4» для сыпучих продуктов и «РСУ-500» для контроля нагретых до +1500 градусов Цельсия сыпучих продуктов.
Рисунок 9. РСУ-4 сигнализатор уровня микроволновый радиолокационный.
Радарные уровнемеры являются самыми универсальными средствами измерения. Приборы этого типа прекрасно подойдут и для больших емкостей и для малых, с кривизной и без, для неоднородных сыпучих продуктов, и жидких сред, для химически активных веществ и для пищевых продуктов, для сред под давлением и температурой. В линейке микроволновых радарных уровнемеров, можно найти приборы на любой вкус и кошелек.
Радарные уровнемеры
Принцип действия радарного уровнемера основан на распространении и отражении от раздела сред радиочастотной волны.
Упрощенно описать принцип работы можно так: встроенный в уровнемер излучатель направляет сгенерированный импульс в сторону измеряемой среды, а встроенный в этот же уровнемер приемник получает и передает вычислителю данные об отраженном от измеряемой среды сигнале.
Радарный уровнемер относится к уровнемерам непрерывного действия, т.е. измерения могут производится постоянно, отображая картину в реальном времени.
Принцип действия радарного уровнемера основан на распространении и отражении от раздела сред радиочастотной волны.
Упрощенно описать принцип работы можно так: встроенный в уровнемер излучатель направляет сгенерированный импульс в сторону измеряемой среды, а встроенный в этот же уровнемер приемник получает и передает вычислителю данные об отраженном от измеряемой среды сигнале. Временная задержки отраженного сигнала умноженное на скорость распространения электромагнитной волны
дает расстояние от датчика до измеряемой среды.
Современные приборы имеют более надежный принцип вычисления, основанный на измерении сдвига фазы отраженного сигнала, но физического смысла работы прибора это не меняет.
Радарные уровнемеры имеют большой набор электроники внутри компактного корпуса. Благодаря чему прибор можно настраивать, добиваясь качественных измерений. Современные модели датчиков позволяют отфильтровывать эхо и распознавать ложные отражения, например от пены, и многие другие функции.
На сегодняшний день, радарные уровнемеры самые востребованные средства измерения в емкостях. Современны радарные измерители уровня, имеют точностью до ±1мм на расстоянии 30 метров!
Исполнение уровнемеров и их модификаций великое множество!
Высокие температуры измерение уровня
Наши инженеры выполняли проект радарного уровнемера на температуру 1200С с двойным охлаждением вычислительной части прибора!
Такое решение лишний раз показывает, какие возможности дают вам уровнемеры радарного типа!
Для подбора уровнемера вам необходимо направить нам не почту информацию, которая поможет подобрать датчик:
Радиоволновые, радарные уровнемеры. Устройство, принцип действия, типы и виды радарных уровнемеров.
К радиоволновым методам относятся радиолокационный, радиоинтерферационный, эндовибраторный и резонансный.
Работа радиолокационных (радарных) уровнемеров основывается на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами.
Скорость распространения электромагнитной волны в среде определяется значениями ее диэлектрической е и магнитной р проницаемостей:
Схема радарного уровнемера (рис. 1) состоит из излучателя 1, приемника электромагнитной энергии 2 и преобразователя 3 измерения интервала времени.
Рис. 1. Схема радиолокационного (радарного) уровнемера :
1 — излучатель; 2 — приемник электромагнитной энергии; 3 — преобразователь измерения интервала времени
Уровень h определяется измерением временного интервала между моментом посылки сигнала излучателем 1 и приходом отраженного сигнала на приемник 2. Эти величины связаны соотношением:
Обычно локация ведется через газовую среду над жидкостью (в принципе локация может осуществляться и через жидкость, если она неэлектропроводная). Локация через газ предпочтительнее, так как излучатели не подвергаются воздействию жидкости. Кроме того, магнитные и диэлектрические проницаемости газов невелики и практически не зависят от изменения параметров и свойств газа. Это делает показания уровнемера практически не зависящими от свойств жидкости. Недостатком таких уровнемеров является трудность точного измерения малых интервалов времени. Они чувствительны к нахождению в зоне излучения посторонних предметов, например металлических стенок емкостей. Для устранения этого недостатка необходимо применить узконаправленное излучение с помощью рупорных антенн.?
Схема такого прибора представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема радиолокационного (радарного) уровнемера для контроля уровни жидких металлов :
1 — генератор; 2 — рупор; 3 — детектор; 4 — вторичный преобразователь; 5 — стенка; 6 — футеровочный материал
В качестве излучателя радиоволн, генерируемых генератором 1, используется рупор 2, высота раскрытия которого равна диапазону измерения. Изменение уровня среды по высоте рупора приводит к изменению прошедшей и отраженной высокочастотной энергии, вследствие чего изменяется сигнал на детекторе 3 и вторичном преобразователе 4. Для использования этого метода измерения в металлические стенки 5 вставляются рупорные излучатели 2. Внутренний футерованный материал 6 является радиопрозрачным.
Радарные уровнемеры SITRANS LR 300 (фирма Siemens ) используют микроволновую импульсную технологию. Они оснащены рупорными или стержневыми антеннами, работающими на частоте 5,8 ГГц. Уровнемеры могут измерять высоту уровня жидких и сыпучих сред в диапазоне до 20 м с погрешностью ±0,15 %. При выходном сигнале 4. 20 мА уровнемер может иметь и цифровой в соответствии с протоколами Modbus, HART и Profibus-PA.
В резонансных уровнемерах резонансные колебания возбуждаются в отрезках длинной электрической линии. Этот отрезок длинной линии — первичный преобразователь — либо выполняется в виде отдельного конструктивного элемента, помещенного в резервуар, либо его роль могут выполнять конструктивные элементы технологической установки (например, при измерении уровня жидких металлов в металлургии).
Обычно первичный преобразователь представляет собой тонкостенную металлическую трубу с боковыми отверстиями и соосно расположенным в ней металлическим стержнем (рис. 3).
Рис. 3. Схема преобразователя резонансного уровнемера
Применение резонансных уровнемеров при измерении уровня проводящих жидкостей основывается на шунтировании элементов преобразователя, т.е. уровень эквивалентен подвижной перемычке между трубой и стержнем преобразователя. При изменении уровня изменяется длина линии, что ведет к изменению резонансной частоты преобразователя. Например, при заполнении преобразователя уменьшается его длина и увеличивается резонансная частота. Эта зависимость является нелинейной.
Применительно к конкретным условиям работы могут использоваться преобразователи других конструкций. Например, для кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок большого сечения (не менее 250×550 мм) преобразователь подобен изображенному на рис. 3, но на конце его вместо металлического донышка закреплен виток проволочного проводника. Преобразователь закрепляется таким образом, чтобы виток находился над уровнем металла, при этом его индуктивность будет зависеть от уровня металла. Резонансная частота такой электрической линии с индуктивностью на конце зависит от этой индуктивности, т.е. от уровня металла. Такие уровнемеры жидких металлов имеют диапазон измерения до 200 мм, основная погрешность измерения ± 2 %.
Для кристаллизаторов малого сечения (с максимальным поперечным размером сечения 150 мм) применение преобразователя с индуктивной нагрузкой неэффективно, так как при уменьшении размеров витка уменьшается диапазон измерения. Для таких кристаллизаторов разработан уровнемер (рис. 4), в котором система «металл промежуточного ковша 1 — струя металла 2 — металл кристаллизатора 3» рассматривается как измерительный отрезок длинной электрической линии, длина которого, а следовательно, и резонансная частота определяются уровнем металла в кристаллизаторе.
Рис. 4. Схема резонансного уровнемера для машин непрерывного литья заготовок малых диаметров : 1 — промежуточный ковш; 2 — трубка; 5 — кристаллизатор; 4 — металлическое кольцо; 5 — высокочастотный генератор?
Подвод энергии к колебательной системе может быть осуществлен, например, посредством металлического кольца 4, установленного между ковшом и кристаллизатором на одной оси со струей металла и подключенного к высокочастотному генератору 5. Диапазон измерения такого уровнемера составляет 300 мм.
Резонансный метод измерения использован в уровнемерах для криогенных сред типа УРК-1. Здесь в качестве чувствительного элемента используется отрезок волновода, информационным параметром является его резонансная частота, функционально связанная с контролируемым уровнем. Электронная схема прибора содержит генератор электрических колебаний, частота которых непрерывно поддерживается равной резонансной частоте волновода. Она измеряется частотомером и преобразуется в выходной сигнал.
Волноводно-радарные уровнемеры
Физический принцип измерений
Волноводные уровнемеры относятся к контактным уровнемерам. Уровнемер имеет блок с генератором сверхвысокой частоты (СВЧ), выход которого нагружен на волновод, который и является измерительным зондом. Волновод может иметь различные конструкции – коаксиальный, двойной стержневой, одинарный стержневой или тросовый.
Длина зонда конструктивно определяет диапазон измерений уровня. Электромагнитная волна с импульсной модуляцией (радиоимпульс) проходит по вертикальному волноводу-зонду с диэлектриком из окружающего воздуха. В месте соприкосновения зонда с жидкой средой в волноводе наступает резкая смена свойств диэлектрика, что приводит к рассогласованности высокочастотного тракта. При этом часть электромагнитной волны отражается и радиоимпульс направляется назад к приемному блоку уровнемера. По временной разности между передающим и приемным радиоимпульсами вычисляется высота уровня в единицах длины по формуле:
Высота уровня = (скорость электромагнитной волны × время задержки) / 2
Особенностью волноводных уровнемеров является их способность измерять уровень границы раздела двух различных несмешиваемых жидкостей в одном сосуде, например, нефти и воды. То есть можно настроить приём отраженных радиоимпульсов от следующей неоднородности диэлектрика в волноводном зонде.
Это свойство широко применяется в нефтедобывающей отрасли, где требуется отделить добытую нефть от сопутствующей воды. Таким же образом волноводный уровнемер можно настроить на нечувствительность к пенообразованию и достоверно измерять только уровень жидкости, покрытой cлоем пены.
Применение
Волноводные уровнемеры успешно применяются в сосудах, имеющих сложную геометрию, выносные камеры, ёмкости с высокими патрубками или с имеющимися внутренними конструктивными элементами.
Также эти уровнемеры применяются для измерений уровня веществ, имеющих нелинейную поверхность. Например, осыпающиеся порошкообразные вещества или сливающиеся жидкости с поверхностью в форме воронки.
Достоинства
Ограничения
Получите консультацию
Если у вас есть вопросы по оборудованию или предложения по сотрудничеству, оставьте свой номер телефона.
Мы перезвоним вам в кратчайший срок.