Коротко: выбор между бесконтактным радаром и волноводным радарным уровнемером (guided wave radar, GWR) определяется условиями конкретной точки измерения, а не названием технологии. Там, где контакт с продуктом нежелателен, где налипание или коррозия делают зонд источником проблем, где мешалка или большая высота резервуара создают механическую нагрузку на зонд, бесконтактный радар обычно рассматривается первым. Если нужно измерять уровень раздела фаз двух жидкостей, если продукт с низкой диэлектрической проницаемостью даёт слабое эхо, при установке в узкой выносной камере или успокоительной трубе, а также в небольших аппаратах с большим количеством внутренних устройств на первый план выходит GWR. Насыщенный пар под высоким давлением влияет на распространение сигнала в обеих технологиях; в этом случае нужно решение с функцией компенсации и подходящий монтаж, чаще всего в выносной камере.
Этот ответ относится к измерению уровня жидкости в закрытых резервуарах и технологических аппаратах. Пена — условие, по которому ни для одной из технологий нельзя заранее дать однозначный вывод: решающими являются толщина и устойчивость пены и отражающая способность продукта. Диапазон измерения, минимальная диэлектрическая проницаемость, точность и пределы по температуре и давлению зависят от модели, типа антенны или зонда. Поэтому в статье не приводятся числовые пороги, обобщённые на технологию; значения подтверждаются по паспорту производителя и для условий проекта.
Сразу обозначим границу: непрерывное измерение уровня и независимая защита от перелива — разные функции; защита от перелива проектируется отдельно в рамках оценки рисков и проектирования систем безопасности и в этой статье не рассматривается.
Условия, которые меняют решение
Пена
В бесконтактном радаре сигнал доходит до поверхности, распространяясь в свободном пространстве. Когда сильное пенообразование, турбулентность и конденсация сочетаются со слабо отражающим продуктом, диапазон измерения может сократиться, а эхо от поверхности — стать неоднозначным. В GWR энергия направляется вдоль зонда, поэтому эхо обычно остаётся сильнее; тем не менее документация производителей указывает, что поверхностная пена может влиять и на работу GWR. При толстой и неустойчивой пене наряду с обоими типами радаров нужно рассмотреть и измерение по перепаду давления.
Пар и газовая фаза
Радарное измерение основано на известной скорости распространения сигнала в газовой фазе. В атмосферных резервуарах этим эффектом обычно можно пренебречь, но насыщенный пар при высоком давлении и температуре повышает диэлектрическую проницаемость газовой фазы, замедляет распространение и без компенсации приводит к смещению показаний уровня. Этот физический эффект общий для бесконтактного радара и GWR. Для GWR существуют варианты зондов с опорным отражателем вблизи фланца, которые непрерывно измеряют свойства паровой фазы и корректируют показания; обычно они применяются в выносной камере при условии минимального расстояния между отражателем и максимальным уровнем. Для бесконтактного радара компенсация паровой фазы и применение в камере зависят от модели и должны быть подтверждены документацией производителя. В кипящих углеводородах газовые пузыри и волнение также искажают эхо, поэтому диаметр камеры или трубы выбирают больше.
Конденсация и налипание
У бесконтактного радара конденсат и отложения продукта на антенне ослабляют сигнал; при ожидаемых сильных отложениях рассматривают антенны с полностью фторопластовой (PTFE) смачиваемой поверхностью, подключение продувки воздухом или промывочное кольцо. В GWR отложения образуются непосредственно на зонде. Однопроводные (одностержневые) зонды относительно устойчивы к налипанию; в коаксиальном зонде продукт может перекрыть зазор между внутренним стержнем и наружной трубой, поэтому для склонных к налипанию продуктов коаксиальный зонд не рекомендуется. Для липких продуктов могут потребоваться зонд с покрытием и периодическая очистка. Если температура процесса заметно выше, чем у присоединения, на верхней части зонда может образоваться кристаллизация или налёт, снижающие сигнал; для горячих вязких продуктов этот вопрос нужно задать отдельно.
Турбулентность, мешалки и поток налива
В резервуарах с мешалкой зонд GWR не должен касаться мешалки, а при сильном движении жидкости его следует закрепить или направить у дна резервуара. Если это невозможно, раскачивающийся под действием боковых сил зонд угрожает и измерению, и механической целостности. У бесконтактного радара нет рисков, связанных с зондом, однако лопасти мешалки, змеевики и лестницы не должны попадать в луч, а прибор не следует устанавливать в центре резервуара, над потоком налива или на крышке люка.
Геометрия патрубка и внутренние устройства
Длинный узкий патрубок — частый источник проблем для бесконтактного радара: высота патрубка ограничена в зависимости от диаметра и типа антенны, внутренняя поверхность должна быть гладкой, без наплывов сварки, ржавчины и отложений; иначе может потребоваться настройка верхней зоны подавления для маскирования эха от патрубка. У GWR однопроводный зонд не должен касаться стенки патрубка; патрубков с переходами и патрубков, выступающих внутрь резервуара, избегают. Очень широкие патрубки могут ослаблять сигнал, особенно при продукте с низкой диэлектрической проницаемостью, а высота патрубка добавляется к верхней мёртвой зоне зонда. Коаксиальный зонд передаёт сигнал внутри собственной наружной трубы и практически не реагирует на патрубки и внутренние устройства.
Успокоительная труба и выносная камера
В приложениях с турбулентностью, пеной или низкой диэлектрической проницаемостью измерение часто переносят в успокоительную трубу или выносную камеру. Для GWR диаметр камеры должен соответствовать типу зонда; гибкий зонд не применяют в камерах малого диаметра, так как он может касаться стенки, а крупные боковые вводы могут искажать сигнал. Металлическая труба исключает помехи от объектов снаружи трубы. Перевод существующих буйковых камер на GWR — распространённый вариант модернизации. Применение бесконтактного радара в успокоительной трубе зависит от типа антенны, диаметра трубы, состояния внутренней поверхности и схемы перфорации и подтверждается для каждой модели по документации производителя.
Низкая диэлектрическая проницаемость и уровень раздела фаз
Интенсивность отражения растёт с диэлектрической проницаемостью продукта. Для продуктов с низкой проницаемостью, например углеводородов, эхо ослабевает в обеих технологиях; в GWR коаксиальный зонд либо однопроводный зонд в металлической камере или трубе снижает минимально измеряемый порог проницаемости. При измерении раздела фаз GWR использует энергию, не отразившуюся от верхней поверхности, которая даёт второе отражение на поверхности нижней жидкости. Для этого диэлектрическая проницаемость верхнего продукта должна быть известна и постоянна и заметно ниже, чем у нижнего; эмульсионный слой между ними может нарушить результат. Такие пределы, как минимальная разность проницаемостей и минимальная обнаруживаемая толщина верхнего слоя, приводятся по типам зондов в паспорте производителя.
Высота резервуара, длина зонда и механическая нагрузка
Для бесконтактного радара диапазон измерения зависит от продукта, антенны и условий процесса; поскольку луч расширяется с расстоянием, в высоких резервуарах повторно проверяют зазоры до стенки и внутренних устройств. В GWR зонд должен перекрывать весь измеряемый диапазон: жёсткие зонды ограничены по длине, для высоких резервуаров нужен гибкий зонд с грузом или с креплением ко дну. Гибкие зонды имеют пределы по растягивающей и разрушающей нагрузке; поток, перемешивание и тянущее вниз усилие продукта могут к ним приближаться. На верхнем и нижнем концах зонда есть мёртвые зоны, и границы диапазона 4–20 mA следует задавать вне их.
Монтаж, доступ для обслуживания и существующий патрубок
Жёсткий зонд опускают в резервуар вертикально и тем же путём извлекают; если над патрубком недостаточно свободной высоты, рассматривают секционный или гибкий зонд. Бесконтактный радар с более коротким корпусом можно установить на существующие небольшие присоединения, но при несоответствии диаметра и высоты патрубка типу антенны качество измерения снижается. Если используется существующий патрубок, его диаметр, высоту, стандарт фланца и класс давления, а также наличие выступа внутрь резервуара нужно подтвердить замером: чертёж и фактическое состояние могут различаться.
Условие, возможное влияние и вопросы для оценки
Таблица 1 – Возможное влияние условий точки измерения на обе технологии
Условие | Возможное влияние на бесконтактный радар | Возможное влияние на GWR | Вопросы для оценки |
Пена | Эхо может ослабнуть, диапазон — сократиться | Направленный сигнал обычно сильнее; сильная пена всё же может влиять | Какова толщина и устойчивость пены? Измерять верх пены или поверхность жидкости? |
Насыщенный пар под высоким давлением | Меняется скорость распространения; без компенсации — смещение показаний | Тот же физический эффект; варианты компенсации с опорным отражателем применяются в камере | Каков диапазон давления и температуры? Можно ли использовать камеру? Хватает ли расстояния для отражателя? |
Конденсация и налипание | Отложения на антенне снижают сигнал; нужны средства очистки | Отложения на зонде; коаксиальный зонд склонен к перекрытию зазора | Налипает или кристаллизуется ли продукт? Каков доступ и периодичность очистки? |
Мешалка и турбулентность | Лопасти и неровная поверхность дают ложные эхо | Риск касания и раскачивания зонда; нужна фиксация | Тип и положение мешалки? Можно ли закрепить зонд у дна? |
Длинный/узкий патрубок и внутренние устройства | Высота патрубка ограничена диаметром; объекты в луче дают эхо | Однопроводный зонд не должен касаться патрубка; коаксиальный практически не реагирует | Диаметр, высота и внутренняя поверхность патрубка? Есть ли переход? Где внутренние устройства? |
Успокоительная труба или камера | Зависит от модели и параметров трубы; нужно подтверждение производителя | Сильный вариант при подходящем диаметре и типе зонда; предпочтительна металлическая труба | Диаметр, материал трубы/камеры, перфорация и боковые вводы? |
Низкая диэлектрическая проницаемость | Слабое эхо, меньший диапазон | Минимальный порог зависит от типа зонда; помогают коаксиальный зонд или металлическая камера | Известна ли проницаемость продукта, меняется ли она? |
Измерение раздела фаз | Обычно не применяется; рассматривают GWR или другую технологию | При известной и постоянной проницаемости верхнего продукта можно измерять общий уровень и раздел фаз | Проницаемости обоих продуктов, минимальная толщина верхнего слоя, наличие эмульсии? |
Высокий резервуар, большой диапазон | Луч расширяется; повторно проверяют зазоры | Гибкий зонд, груз или крепление; пределы растягивающей нагрузки | Каковы диапазон и высота резервуара? Есть ли свободная высота для опускания зонда? |
Неметаллический резервуар или открытая ёмкость | Объекты снаружи резервуара могут давать эхо; может меняться класс радиосоответствия | Может потребоваться монтаж на металлический фланец или лист | Из какого материала резервуар? Закрытый или открытый? |
Неподходящие условия и ограничения
· Слабый кандидат для бесконтактного радара: аппараты, где нужно измерять раздел фаз; точки, где сильная пена, турбулентность и конденсация сочетаются с продуктом очень низкой проницаемости; резервуары, где единственное доступное присоединение — слишком высокий для своего диаметра или шероховатый внутри патрубок.
· Слабый кандидат для GWR: положения зонда рядом с мешалкой без возможности фиксации; липкие и кристаллизующиеся продукты, которые перекроют зазор или покроют зонд толстым слоем (особенно коаксиальный); высоты, где нет свободного пространства для опускания зонда или длина зонда не выдерживает механическую нагрузку.
· Неопределённо для обеих технологий: толстая неустойчивая пена; паровая фаза высокого давления без компенсации; раздел фаз при переменной проницаемости верхнего продукта. В таких случаях нужно сравнить и альтернативы, например измерение по перепаду давления, помня, что оно зависит от плотности продукта.
Опросный лист точки измерения уровня в резервуаре
Форма ниже заполняется отдельно для каждой точки измерения — для выбора технологии и оценки предложения.
Таблица 2 – Опросный лист точки измерения уровня
Группа данных | Запрашиваемые данные | Влияние на выбор |
Цель измерения | Непрерывный уровень, раздел фаз, объём; регулирование или учёт запасов; существует ли или планируется отдельная система защиты от перелива | Потребность в разделе фаз указывает на GWR; учёт запасов может требовать оценки на уровне системы |
Продукт | Наименование и состав, диэлектрическая проницаемость (диапазон, если известен), плотность, вязкость, содержание твёрдых частиц | Сила эха, тип зонда, сравнение с альтернативными технологиями |
Газовая фаза | Расчётные и рабочие давление/температура, наличие насыщенного пара, состав газовой фазы | Необходимость компенсации пара и камеры |
Состояние поверхности | Пена (толщина, устойчивость), кипение, турбулентность, место потока налива | Стабильность эха, место монтажа, необходимость успокоительной трубы |
Отложения | Склонность к конденсации, налипанию, кристаллизации, образованию налёта; текущий способ очистки | Тип антенны или зонда, средства очистки, план обслуживания |
Резервуар | Тип (вертикальный, горизонтальный, шаровой), материал, открытый/закрытый, высота, диаметр, требуемый диапазон | Диапазон измерения, длина зонда, класс радиосоответствия |
Внутренние устройства | Тип и положение мешалки, змеевики, лестницы, вводы, балки (чертёж или фото) | Ложные эхо, фиксация зонда |
Патрубок | Диаметр, высота, стандарт фланца и класс давления, переход, выступ внутрь резервуара, состояние внутренней поверхности | Выбор антенны, совместимость зонда и патрубка, мёртвая зона |
Камера или труба | Существующая выносная камера или успокоительная труба, диаметр, материал, боковые вводы; при замене буйкового уровнемера — длина буйка и фланец камеры | Тип зонда и реализуемость переделки |
Доступ | Свободная высота над патрубком, площадка обслуживания, возможность демонтажа, возможность вывода резервуара из работы | Выбор жёсткого, гибкого или секционного зонда и план обслуживания |
Электрика и безопасность | Выход и связь (4–20 mA, HART, полевая шина), классификация взрывоопасной зоны, требование SIL при наличии | Выбор модели и сертификатов |
Радио и документы | Страна эксплуатации, требуемые сертификаты и документы на материалы | Настройка частоты и документы о соответствии |
Бесконтактный радар — это ещё и радиопередатчик
Бесконтактные радарные уровнемеры используют радиочастотный спектр, а в GWR сигнал направляется вдоль зонда. В Европе для радарных уровнемеров действуют два отдельных гармонизированных стандарта ETSI. ETSI EN 302 372 распространяется на радары для измерения уровня в резервуарах (TLPR), стационарно установленные на закрытых металлических или железобетонных резервуарах либо сходных конструкциях с сопоставимым затуханием; в качестве требований к установке он называет СВЧ-герметичность фланцев и присоединений, при необходимости токопроводящее покрытие смотровых стёкол, закрытые люки и монтаж антенны с направлением вниз. ETSI EN 302 729 рассматривает радарные уровнемеры (LPR), не ограниченные конструкцией резервуара, и содержит ограничения на установку, такие как фиксированная ориентация антенны вниз и разнос с объектами радиоастрономии. Практический вывод: для пластиковых резервуаров, открытых ёмкостей или каналов на этапе предложения нужно подтвердить, к какому классу радиосоответствия относится выбранный прибор и что для страны эксплуатации будет выполнена правильная настройка частоты.
Связанные страницы продукции
Связанные страницы
· волноводные радарные уровнемеры (GWR): Типы зондов, компенсация паровой фазы и измерение раздела фаз.
· бесконтактные радарные уровнемеры: Варианты антенн, место монтажа и требования к патрубку.
· системы измерения уровня в резервуарах: Для задач учёта запасов и многорезервуарных площадок на уровне системы.
· уровнемеры перепада давления с разделительными мембранами: Для сравнения в пенящихся или загрязнённых средах, где радарное измерение затруднено.