Волноводные радарные уровнемеры

Область применения

Измерение уровня жидкостей и сыпучих с относительной диэлектрической проницаемостью ε≥1,4.

Электрическое питание

Сеть (24…240V AC) или интерфейс токовой петли (24V DC).

Давление процесса

-1…34,5 МПа.

Температура процесса

-150…+400°C.

Материалы смачиваемых частей

Металлические: 1.4401, 1.4571, 316SS, Hastelloy C, Monel; пластмассовые: Teflon, Halar, Tefzel, PFA.

Диапазон измерений

0…60 метров.

Диапазон относительной диэлектрической проницаемости

1,4…100.

Прочность зонда (волновода)

До 4,5 тонн.

Допустимая пленка над измеряемым веществом

Пленки с низкими показателями относительной диэлектрической проницаемости: ε≥10,0. Погрешность измерения возрастает с увеличением относительной диэлектрической проницаемости, толщины пленки, протяженности.

Допустимая пена над измеряемым веществом

Пена с низким показателем относительной диэлектрической проницаемости: ε≥10,0. Погрешность измерения возрастает с увеличением относительной диэлектрической проницаемости, толщины пены. Применение успокаивающих труб, байпасов минимизирует влияние пены.

Испарения или брызги измеряемого вещества

Не влияют на измерения.

Допустимая турбулентность измеряемого вещества

Оказывает минимальное влияние. Применение успокаивающих труб, байпасов минимизирует влияние турбулентности.

Категории помещений и зон

Без специальных требований, Ex i, Ex d.

Цена уровнемеров, сигнализаторов (датчиков) уровня

$750 до $3500.

Термины и определения.

Волновое сопротивление. Сопротивление, которое будучи подключенное к линии передачи с однородными параметрами произвольной длины, позволяет считать эту линию бесконечной. Линия передачи с однородными параметрами подключенная таким образом, не имеет стоячих волн на протяжении линии и отношение напряжения к току будет одинаковым на всем протяжении линии (номинальное полное сопротивление).

Диэлектрик. Вещество, который является электрическим изолятором или в котором электрическое поле можно поддерживать с помощью минимальной рассиваемой мощности.

Относительная диэлектрическая проницаемость. Характеристика материала, выраженная как емкость между двумя пластинами, когда пространство между ними заполнено заданным диэлектрическим материалом деленной на емкость между теми же пластинами когда пространство заполнено воздухом или вакуумом. Диэлектрические постоянные некоторых материалов приведены в Таблице 1.

Неоднородность. Резкое изменение формы (волнового сопротивления) волновода (вызывающее отражение электромагнитной энергии).

Электромагнитная волна (энергия). Возмущение, вызванное внешними электрическими зарядами, которые колеблются или приобрели ускорение, на большом расстоянии от источника, и представляют собой колеблющиеся электрические и магнитное поля, распространяющиеся со скоростью света, находящиеся под прямым углом к друг другу и направлению движения.

Эквивалентная временная дискретизация (Equivalent time sampling ETS). Метод, позволяющий дискретизировать высокоскоростные электромагнитные процессы в реальном времени (длительностью в наносекунды) и обрабатывать их пропорциональном времени (длительностью в миллисекунды), что позволяет проводить обработку данных с помощью простых и дешевых электронных решений.

Волноводный радар (Guided wave radar GWR). Контактная радарная технология, в которой используется рефлектометрия кабельных линий (TDR) для промышленного измерения уровня; при этом волновод погружен в измеряемое вещество.

Преобразователь разности фаз (Phase difference sensor PDS). Контактная радарная технология, которая в отличие от TDR, использует интервалы времени менее наносекунды, получает информацию об уровне из величины изменения фазового угла.

Радар. Система обнаружение и определения удаления обьектов, использующая направленную и отраженную электромагнитную энергию, излучаемую в радиочастотном диапазоне, измерения расстояния и положения, навигации, наведения, бомбардировки и т.д. При обнаружение и определения удаления обьектов, временной интервал передачи и приема отраженного сигнала, определяет расстояние до обьекта в направлении распространения сигнала.

Рефлектометрия кабельных линий (TDR).Технология, в которой рефлектометрия кабельных линий (TDR), используется для получения электрических характеристик широкополосных систем, компонентов и волноводных линий, подавая импульсный сигнал, и накладывая его на исходный с помощью соответствующего электронного оборудования.

Волновод. Устройство распространяющее или проводящее электромагнитные волны. Например, волноводы, параллельные проводники, коаксиальные кабели.

Введение.

Современные контактные радарные уровнемеры имеют констркуцию, позаимствованную от рефлектометров кабельных линий (TDR). Несмотря на новые методы в измерении уровня, технология TDR используется не один десяток лет. Ее используют для поиска обрывов, неоднородностей в подземных кабельных линиях и скрытых проводках больших зданий. Последние достижения в развитии этой технологии позволили уменьшить стоимость таких систем, а так же их энергопотребление. Недорогие уровнемеры, питающиеся от интерфейса токовой петли (24V DC) появились на рынке промышленного измерения уровня. Существует два вида контактных радарных уровнемеров: волноводный радарный (GWR) и уровнемер разности фаз PDS.

Принцип действия волноводного радарного уровнемера.

Принцип действия волноводного радарного уровнемера основан на рефлектометрии кабельных линий (TDR), технологии, которая состоит в получении отклика линии, подвергающейся импульсному воздействию. TDR генератор запускает низковольтный выскочастотный импульс в линию передачи, кабель или волновод и принимает отраженный после этого импульсный сигнал. Обычно на осцилографе наблюдается отраженный сигнал. При этом волновое сопротивление меняется в месте обрыва или неоднородности материала линии передачи, и это место можно определить.

В волноводном радарном уровнемере волноводом является зонд, погруженный в жидкость или сыпучее вещество. Волновое сопротивление зонда ε (в воздухе, ε= 1) возрастает, когда воздух заменяется на вещество с более высокой относительной диэлектрической проницаемостью. Электромагнитные импульсы, посылаемые вниз по волноводу отражаются в точке неравномерности, и отраженный по волноводу сигнал, принимается высокочастотной электронной цепью приемника, таким образом определяется уровень измеряемого вещества. Прицип действия волноводного радарного уровнемера GWR изображен на рисунке 1.

Диапазон относительной диэлектрическойе проницаемости, для применения волноводным радарным уровнемером GWR составляет от 1,4 до 100,0. Чем выше ε, тем сильнеее отраженный сигнал. На экране осцилографа сигнал волноводного радарного уровнемера, отраженный от начала зонда уровнемера (базовый) и от поверхности воды (с высокой относительной диэлектрической проницаемостью) изображен на рисунке 2.

Осцилограмма показывает сильное отражение от воды (ε=80) и слабое отражение от начала зонда уровнемера (базовое), которое принимается за нулевое расстояния. Обычно амплитуда этого отражения не превышает 200мВ. Импульс большой амплитуды образуется при отражении от точки в которой изменяется волновое сопротивление волновода, например, поверхности воды воды (ε=80) до 2000мВ. На рисуне 3 показана подобная осцилограмма вещества с низкой относительной диэлектрической проницаемостью (750мВ) по сравнению с водой.

Вещество с более низкой относительной диэлектрической проницаемостью создает отражение в той же точке, но с меньшей амплитудой. Изменение относительной диэлектрической проницаемости влияет на образование сильного отражения, а не на точность измерения. Теоретически погрешность измерения может быть вызвана изменение скорости распространения электромагнитного импульса в парах измеряемого веществе. Высокочастотный электромагнитный импульс распространяется со скоростью света. Скорость света (c) в вакууме (ε=1) равна 3×10e+8 м/с или c/√ ε, где с - скорость света в ваккуме, ε - относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Это выражение показывает, что чем относительная диэлектрическая проницаемость вещества ближе к 1,00, тем менее изменяется скорость распространеия электромагнитного импульса. Эти влиянием можно принебречь для контакных радарных уровнемеров.

Принцип действия радарного уровнемера разности фаз.

Радарный уровнемер разности фаз построен подобно TDR,только вместо временного интервала измеряется фазовый сдвиг. Высокочастный сигнал (f) распростаняется по параллельным проводникам с определенной скоростью (V0), затем отраженный от поверхности измеряемого вещества сигнал, в точке изменения волнового сопротивления волновода, попадает в приемник. Относительная диэлектрическая проницаемость паров вещества не изменяется при наличиив них пыли, испарений, конденсата или пены. Поэтому скорость распростаняется прямого электромагнитного импульса и отраженного равны V0. И расстояние, прошедшее импульсом пропорционально разности фаз (β), между прямым и отраженным сигналом, как показано на рисунке 4.

Функциональные части контакных радарных уровнемеров.

Контактные радарные уровнемеры сотоят из двух основных частей, электронного преобразователя уровня и зонда (волновода). Правильный выбор этих частей обеспечивает надежное функционирование уровнемера в каждом конкретном случае проименения.

Электронный преобразователь уровня.

Электронные компоненты преобразователя уровня имеют малую погрешность и достаточную чувствительность. Большинство современных радарных уровнемеров имеют приемлемую цену и функционируют с малым энергопотреблением, питаясь посредством интерфейса токовой петли. Такие системы имеют следующие преимущества:

1. Эквивалентная временная дискретизация позволяет позволяет обрабатывать сигналы в реальном времени с длительностью в наносекунды, используя электронные касакады с полосой пропускания в миллисекунды. Таким образом используются более простые и дешевые электронные решения.

2. Зонд (волновод) обеспечивает путь высокоэффетивной передачи энергии к поверхности измеряемой жидкости и обратно. Обработка сигнала на требует циклического излучения и не существует ложных отражений, которые нужно отфильтровывать (исключает комплексный анализ сигнала как в случае бесконтакных радарных или ультразвуковых уровнемеров). Этот эффективный способ распространения электромагнитной энергии позволяет осуществлять измерения с чрезвыяайно низкой относительной диэлектрической проницаемостью измеряемого вещества (ε≥1,4).

Стабильность измерений имеет следующие преимущества:

1. Постоянная скорость света (электромагнитной энергии) позволяет осуществлять заводскую калибровку. Нет необходимости калибровать уровнемер на месте установки, на месте установки необходима только конфигурирование (не требуется задействовать настоящий технологический процесс).

2. Погрешность не зависит от изменения относительной диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости.

Зонды (волноводы).

Три вида зондов используются в современных волноводных радарных уровнемерах: коаксиальный, двойной волновод и моноволновод. Коаксиальный (волноводный) является наиболее эффективным, обеспечивающий параметры подобные стандартному 75-омному коаксиальному кабелю, использующегося для передачи видео и данных. Двойной волновод менее эффективен, и аналогичен двухжильному антенному кабелю, использовавшийся до внедрения коаксиального кабеля (эта конфигурация используется для радарного уровнемера разности фаз). Моноволновод обладает наименьшей эффективностью, но менее всего чувствителен к налипанию измеряемого вещества. На рисунке 5 изображены виды волноводов с эпюрами электромагнитного поля волноводов.

Выбор зонда и особенности применений.

Выбор подходящего зонда (волновода) наиболее важный вопрос при использовании волноводного радарного уровнемера. Следующие вопросы применения требуется принимать во внимание.
-температура / давление. Наиболее важными показателями технологического процесса являются температура и давление. Так как производители уровнемеров предлагают свои изделия в диапазонах : -150…+400°С, давлением: -1…350кгс/см², то существует мало применений в которых невозможно использовать волноводный радарные уровнемеры.
- относительная диэлектрическая проницаемость. Коаксиальный зонд более всего подходит для низких показателей (ε˂2,0) позволяет эффективно применять: для бутана (ε =1,4) и пропана (ε =1,5). Важно напомнить, что при изменении температуры вешества обратно изменяется относительная диэлектрическая проницаемость, то есть при увеличении температуры величина ε уменьшается. Следует иметь данные об относительной диэлектрической проницаемости при определенной температуре вещества. Выше указанная зависимость делает применение волноводных радарных уровнемеров затруднительным при высоких температурах.
- способ установки, препятствия, эффект приближения. Установку можно осуществить различными методами. Коаксиальный зонд не имеет эффекта приближения, тогда как в случае монозонда следует принимать этот эффект во внимание.
- длина зонда. Волноводный радарный уровнемер является контактным методом измерения, поэтому минимальная длина зонда должна быть не менее высоты измерения. Это может требовать достаточно длинных зондов, что увеличивает стоимость доставки таких зондов. Например, установка шестиметрового жесткого зонда может потребовать тщательного проектирования, особенно в узле крепления уровнемера.
- совместимость материалов. Волоноводные радарные уровнемеры создаются из различных комбинаций материалов: металлов, пластмасс (изоляторов), и зачастую колец. Наиболее используемая сталь : 316 SS, а так же применяются Hastelloy и Monel. Различные виды тефлонов (TFE, FEP, PFA) используются в качестве изоляторов, чаще чем другие пластмассы. Уплотнения процесса используются в виде кольцевых прокладок и должны рассматриваться в качестве смачиваемых частей. Большинство кольцевых прокладок выполнены из таких материалов как Viton, EPDM, неопрена. Материал Kalrez, несмотря на большую стоимость, предпочтителен из-за химической совместимости.
- покрытия, загрязнение, наслоения, налипания. Так как оба метода волноводной радарной технологии являются контактными методами, они подвержены возникновению ошибок из-за различной степени налипаниях на зонд. Ошибки могут возникать от трех источников: диэлектрических свойств налипания, толщины налипания и протяженности. Вещества с низкой относительной диэлектрической проницательностью вызывают малую ошибку, в то время как водосодержащие вещества делают измерения затруднительными. Значительную ошибку вызывает налипание на зонд тонкого слоя вещества с высокой относительной диэлектрической проницательностью на всей протяженности зонда.
- вязкость. Для текучих веществ (менее 500 cP) могут быть применены зонды любых конструкций. Двойной волновод и моноволновод следует применять когда вязкость превышает 500cP.
- турбулентность. Турбулентность оказывает два эффекта влияния на волноводный радарный уровнемер, электрический и механический. Электрический вызывает небольшой разброс показаний уровнемера, что чувствительно для некоторых применений. Так как зонд находится в измеряемой среде, следует принимать во внимание механическое влияние.
- механическая прочность зонда. При измерении сыпучих (зерно, пеллеты, гранулы) силу натяжения зонда следует принимать во внимание. Плотность сыпучего материала становится важной величиной. Предельная сила натяжения зонда может составлять до 4,5 тонн.
- верхняя точка измерения. Измерения в верхней точке резервуара могут быть затруднительны, как для любых видов измерения уровня способом определения времени распространения сигнала. Нехарактерные показания или скачки уровня могут быть такими проявлениями. Во избежание этого следует предусматривать проектом установку GWR уровнемеров в камеры или клетки.
- взрывоопасные, пожароопасные зоны. Волноводные радарные уровнемеры излучают небольшой уровень энергии в резервуар для проведения измерения. Все современные уровнемеры имеют исполнение Ex i, Ex d.

Измерение раздела фаз жидкостей.

В промышленном измерении уровня разделом фаз называют границу двух несмешивающихся жидкостей. Контактный радарный уровнемер может измерить уровень верхней и нижней жиlкости, если выполняются следующие условия:
- верхняя жидкость имеет малую величину относительной диэлектрической постоянной (ε˂10),
- нижняя жидкость имеет большую величину относительной диэлектрической проницаемости (Δε>10),
- граница раздела существует, отсутствует слой эмульсии.
Часть энергии отражается, в то время как основной импульс продолжает движение вниз. Большее отражение происходит от нижнего слоя. Важна точная коррекция изменения скорости распространения в верхнем слое, который имеет величину относительной диэлектрической проницаемости отличную от паров верхнего слоя. Слой эмульсии затрудняет измерения, так как в нем нет четкого различия между веществами, а парамаетры меняются как градиент, и не формируется отраженный импульс.

Заключение.

Не существует идеальной технологии измерения уровня. В идеальном мире все измерения должны быть бесконтактными и не вызывать изменения в измеряемом веществе. Бесконтактные радарные уровнемеры наиболее близки этим критериям, но и они имеют некоторые слабые места. Новые радарные технологии, контактные и бесконтактные, создают хорошую связку для эффективного измерения уровня во многих технологических процессах.

Техническая публикация
Рефлекс-радарные уровнемеры