Бесконтактные радарные уровнемеры (80 ГГц, FMCW)

Что такое бесконтактный радарный уровнемер?

Бесконтактный радарный уровнемер — прибор непрерывного измерения уровня, устанавливаемый на верхнее присоединение резервуара и излучающий микроволновый сигнал через антенну, которая не имеет физического контакта с продуктом. Сигнал отражается от поверхности продукта и возвращается к антенне; прибор пересчитывает информацию о времени прохождения сигнала туда и обратно в расстояние, а расстояние — в уровень, незаполненную высоту или объем.

Измерение основано на электромагнитной волне, распространяющейся в воздухе или газовом пространстве резервуара, поэтому плотность, вязкость, температура, давление и pH продукта на результат не влияют. Отсутствие подвижных частей и верхний монтаж снижают потребность в обслуживании и риск утечек. Поэтому радарный уровнемер выбирают для самых разных задач — от агрессивных химикатов до вязких продуктов, от открытых приямков до запыленных силосов.

Приборы, описанные на этой странице, — двухпроводные FMCW-радары класса 80 ГГц. Высокая частота позволяет получить узкий луч при малой антенне, поэтому стабильное измерение возможно на присоединениях от резьбы ¾ дюйма до фланцев 6 дюймов и несмотря на внутренние устройства — трубы, лестницы и змеевики обогрева. Если диэлектрическая проницаемость продукта очень низкая, требуется измерять границу раздела двух жидкостей или измерение ведется в узкой камере, следует рассмотреть волноводные радарные уровнемеры.

Принцип работы FMCW-радара 80 ГГц

Вместо импульсов FMCW-радар использует непрерывный сигнал, частота которого линейно меняется во времени, и вычисляет расстояние по разности частот, а не по разности времени. Измерительную цепь можно описать в пять этапов:

1.      Развертка частоты: Прибор формирует непрерывный микроволновый сигнал с быстрой разверткой частоты в диапазоне 77–81 ГГц и направляет его через антенну к поверхности продукта. Максимальная выходная мощность — +5 дБм (3,2 мВт).

2.      Отражение от поверхности: Сигнал отражается на границе, образованной разницей диэлектрической проницаемости газового пространства и продукта, и возвращается к антенне. Сила отражения зависит от диэлектрической проницаемости продукта и состояния поверхности.

3.      Измерение разности частот: К моменту, когда отраженный сигнал достигает антенны, передатчик уже излучает на другой частоте. Разность частот излученного и принятого сигналов пропорциональна времени прохождения сигнала туда и обратно, а значит, и расстоянию до поверхности.

4.      Построение эхо-профиля: Спектральный анализ преобразует разности частот в эхо-профиль. Программа отслеживает все эхо — от поверхности продукта, внутренних устройств и днища резервуара — и отделяет истинное эхо поверхности от паразитных отражений.

5.      Расчет уровня и выход: Уровень определяется вычитанием расстояния до поверхности из опорной высоты; при необходимости по геометрии резервуара рассчитывается объем. Результат передается в систему управления двухпроводным сигналом 4–20 мА с наложенными цифровыми данными HART.

Влияние высокой частоты на угол излучения

При заданном диаметре антенны луч сужается с ростом частоты. В классе 80 ГГц антенна с технологическим уплотнением и линзовая антенна для открытого воздуха имеют угол излучения 8°, линзовая антенна 1–1½ дюйма — 9°, линзовая антенна ¾ дюйма — 12°. Луч 8° на расстоянии 10 м имеет ширину около 1,4 м, на 30 м — около 4,2 м. Узкий луч уменьшает отражения от стенки и внутренних устройств и упрощает измерение через малые патрубки.

Отслеживание эха и подавление паразитных отражений

Алгоритмы обработки эха непрерывно отслеживают неподвижные эхо от препятствий в резервуаре и отличают их от движущейся поверхности продукта. Такой подход обеспечивает надежное измерение и в малых резервуарах, и в быстро заполняемых емкостях. Максимальная скорость изменения уровня по умолчанию — 40 мм/с, в зависимости от применения ее можно увеличить до 200 мм/с.

Особенности измерения сыпучих сред

Поверхность сыпучих материалов не плоская: материал образует конус в соответствии с углом естественного откоса, а при загрузке может возникать облако пыли. Диэлектрическая проницаемость сыпучих сред, как правило, низкая (порядка 1,2 для легких порошков, 1,35 для пластиковых гранул, 1,5 для цемента, песка, известковой муки и зерна, 1,7 для щепы и древесных гранул). Поэтому достижимый диапазон измерения в сыпучих средах составляет от 10 до 30 м в зависимости от типа антенны и продукта; на диапазон влияют также диаметр силоса, внутренние препятствия, конденсат и налипание на антенне.

FMCW-радар излучает сигнал непрерывно, но с малой мощностью, поэтому измерение энергоэффективно, а прибор может работать с питанием от двухпроводной токовой петли. Частотную настройку нужно выбирать в соответствии с правилами использования радиочастотного спектра в стране эксплуатации прибора.

Ключевые особенности

·         Два класса точности: В нормальных условиях погрешность ±2 мм в стандартном классе и ±1 мм в классе повышенной точности; повторяемость ±0,5 мм.

·         Три типа антенн: Линзовая антенна для малых присоединений, антенна с технологическим уплотнением и контактирующими частями полностью из PTFE, а также линзовая антенна с вариантом крепления на кронштейне для открытого воздуха и резервуаров без давления.

·         Измерение до 30 м в жидкостях и сыпучих средах: Максимальный диапазон в жидкостях — 30 м (15 м с линзовой антенной с резьбой ¾ дюйма); в сыпучих средах — 10–30 м в зависимости от продукта и антенны.

·         Беспроводной доступ по Bluetooth: Опция Bluetooth, поставляемая вместе с графическим индикатором, позволяет выполнять настройку и обслуживание без проводов с расстояния не менее 15 м в пределах прямой видимости.

·         Многоязычный графический индикатор: Трехстрочный графический ЖК-индикатор предлагает меню на 14 языках, включая русский; он показывает выбранные переменные и диагностические сообщения с символами обслуживания по NAMUR.

·         Контрольное испытание без подъема уровня: Добавление в радарный сигнал виртуального эха поверхности позволяет проверить выход прибора, пороги сигнализации и конфигурацию без остановки процесса и без изменения уровня.

·         Плановая проверка прибора: Автоматическую проверку целостности прибора без остановки процесса можно при необходимости запускать по расписанию; по ее итогам формируется отчет «годен/не годен».

·         Журналы и диагностика: В памяти прибора хранятся записи уровня и эхо-профиля за последние три дня и 50 последних сообщений; предусмотрено раннее предупреждение о налипании на антенне и нештатном состоянии поверхности.

·         Несколько приборов на одном резервуаре: Несколько уровнемеров, установленных на одном резервуаре, работают без взаимного влияния, что упрощает построение резервированных схем измерения.

·         Продувка антенны воздухом: При ожидаемых сильных отложениях антенну можно очищать через штуцер продувки; для антенн с технологическим уплотнением в качестве принадлежностей предлагаются промывочные кольца.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые технические данные бесконтактного радарного уровнемера FMCW 80 ГГц, описанного на этой странице. Пределы давления и температуры зависят от типа антенны и фланца, диапазон измерения — от продукта и условий монтажа; окончательные значения следует подтверждать на этапе проекта.

Значения погрешности приведены по IEC 60770-1 без учета постоянного смещения, зависящего от монтажа. В ближней зоне и на расстояниях, близких к сильному эху от днища резервуара, фактические характеристики зависят от продукта и условий применения.

Основные преимущества

·         Измерение без контакта с продуктом: Антенна не касается продукта, поэтому для липких, вязких или агрессивных сред снижаются загрязнение, износ и потребность в очистке.

·         Независимость от параметров процесса: Изменения плотности, вязкости, температуры, давления и pH не влияют на измерение; при смене продукта перекалибровка не требуется.

·         Малые присоединения и загроможденные резервуары: Узкий луч позволяет измерять через резьбовые присоединения ¾ дюйма и уменьшает паразитные эхо в резервуарах с внутренними устройствами.

·         Долгий срок службы в агрессивных средах: Антенна с контактирующими частями полностью из PTFE подходит для агрессивных сред и задач с пылью и сильной конденсацией.

·         Безопасная и быстрая пусконаладка: Настройка по Bluetooth без входа во взрывоопасную зону, наглядные пошаговые подсказки и удобный программный интерфейс сокращают время ввода в эксплуатацию.

·         Увеличенные интервалы контрольных испытаний: Дистанционные контрольные испытания и автоматическая проверка позволяют документировать функции безопасности без остановки процесса.

·         Энергоэффективная двухпроводная схема: Прибор питается от токовой петли, внутренняя потребляемая мощность в нормальном режиме — менее 0,8 Вт; отдельный кабель питания не нужен.

·         Обслуживание по состоянию: Предупреждения о налипании на антенне и качестве сигнала помогают планировать обслуживание до возникновения отказа.

Области применения

Бесконтактные радарные уровнемеры применяются в самых разных процессах для непрерывного измерения уровня жидкостей, суспензий и сыпучих материалов. Основные типы применений приведены ниже.

Резервуары хранения

Контроль правильного наполнения и уровня запасов. Если на объектах с большим числом резервуаров требуются учет запасов и системное измерение, уровнемеры следует рассматривать вместе с системами измерения уровня в резервуарах.

Смесители и технологические емкости

В смесителях алгоритмы отслеживания эха отделяют отражения от внутренних устройств от реальной поверхности продукта и помогают непрерывно контролировать процесс; в технологических аппаратах под давлением антенны с технологическим уплотнением и линзовые антенны применяются до 25 бар.

Агрессивные среды и конденсация

Для резервуаров хранения и переработки агрессивных химикатов предпочтительна антенна с технологическим уплотнением и контактирующими частями полностью из PTFE; та же антенна дает преимущество в атмосфере с сильной конденсацией и пылью.

Применение на открытом воздухе

Уровень измеряется в приямках, прудах и открытых каналах, несмотря на сложные условия поверхности и погоды. Линзовая антенна для открытого воздуха с креплением на кронштейне применяется в диапазоне температур –40…80 °C.

Силосы сыпучих материалов

Для цемента, песка, известковой муки, пластиковых гранул, зерна, отрубей, щепы и древесных гранул измерение не зависит от пыли и низкой отражающей способности. Для сыпучих сред прибор рекомендуется устанавливать на расстоянии от стенки, равном двум третям радиуса силоса.

Функции безопасности

Уровнемер с сертификатом SIL 2 применяется в функциях безопасности, включая защиту от сухого хода, защиту от перелива и контроль диапазона уровня; контрольные испытания проводятся без подъема уровня.

Как выбрать радарный уровнемер

Успех бесконтактного радарного измерения зависит от правильного выбора типа антенны, присоединения и места установки для конкретной задачи. Для технической оценки рекомендуем собрать следующие данные:

Условия процесса и продукт

·         Измеряемый продукт: жидкость, суспензия или сыпучий материал; для сыпучих — форма частиц (порошок, гранулы, пеллеты) и ориентировочная диэлектрическая проницаемость

·         Требуемый диапазон измерения и класс точности (стандартный ±2 мм или повышенной точности ±1 мм)

·         Температура и давление процесса (–60…200 °C, –1…25 бар для антенны с технологическим уплотнением и линзовой)

·         Риск пены, турбулентности, конденсации и налипания на антенне; при необходимости — продувка воздухом

·         Максимальная скорость наполнения и опорожнения (по умолчанию 40 мм/с, до 200 мм/с)

Антенна и присоединение к процессу

·         Размер существующего патрубка или присоединения: линзовая антенна для резьбы ¾–1½ дюйма, антенна с технологическим уплотнением для фланцев 2–6 дюймов

·         Совместимость контактирующих материалов: части полностью из PTFE или линзовая антенна с корпусом из 316/316L

·         Линзовая антенна для открытого воздуха на кронштейне для резервуаров без давления и открытых площадок

·         Стандарт фланца и класс давления (ASME Class 150/300, EN 1092-1 PN16/PN40, JIS 10K/20K)

Место установки и патрубок

·         Не устанавливать прибор в центре резервуара, над струей налива или рядом с ней, на крышке люка или непосредственно над боковым лазом

·         Расстояние до стенки — не менее 200 мм; рекомендуется половина радиуса резервуара для жидкостей и две трети радиуса для сыпучих сред

·         Прибор устанавливается вертикально, отклонение не более 3°

·         Внутренняя поверхность патрубка должна быть гладкой; высота патрубка ограничена в зависимости от диаметра (например, для патрубка 2 дюйма — 200 мм с линзовой антенной и 500 мм с антенной с технологическим уплотнением)

·         В неметаллических резервуарах объекты, расположенные сразу за стенкой, не должны попадать в луч

Электрика, связь и безопасность

·         Напряжение питания и сопротивление петли (не менее 250 Ом для связи HART)

·         Направление и уровни аварийного сигнала (стандарт изготовителя или NAMUR NE 43)

·         Потребность в Bluetooth, графическом индикаторе и языке меню

·         Классификация взрывоопасной зоны и требуемый вид взрывозащиты

·         Требование по SIL, метод контрольного испытания и необходимость отчетов о проверке

В применениях с плотной пеной, где эхо поверхности может быть слабым, или в аппаратах, где нужна местная визуальная индикация, следует сравнить и другие технологии измерения. TLY Enerji выполняет такую оценку совместно с вами на основе технологических данных.

Функциональная безопасность, взрывозащита и радиочастотные сертификаты

Ниже кратко перечислены основные сертификаты, разрешения и стандарты, доступные для бесконтактного радарного уровнемера. Объем сертификации зависит от выбранной конфигурации.

Маркировка сертификатов, температурные классы и условия руководства по безопасности оцениваются на этапе проекта инженерами TLY Enerji вместе с соответствующими сертификатами на изделие.

Решения TLY Enerji для радарного измерения уровня

TLY Enerji рассматривает радарное измерение уровня вместе с самим резервуаром. Наши инженеры анализируют вид продукта и его диэлектрические свойства, геометрию резервуара, размеры патрубков, внутренние устройства, точки налива, риск пены и конденсации и затем определяют тип антенны, присоединение и место установки. Для таких разных задач, как измерение сыпучих в силосе, открытый приямок или резервуар агрессивного химиката, мы предлагаем подходящую конфигурацию вместе с ее обоснованием.

Мы также помогаем оценить требования по взрывозащите и SIL, подготовить проектную документацию, интегрировать прибор в ПЛК/РСУ/SCADA по HART, выполнить настройку по Bluetooth на месте, проверку эхо-профиля при пусконаладке и спланировать процедуры контрольных испытаний. Наша цель — чтобы радарное измерение с первого дня было проверяемым источником данных с предсказуемым обслуживанием.

Часто задаваемые вопросы

Как работает радарный уровнемер?

Бесконтактный радарный уровнемер излучает антенной микроволновый сигнал к поверхности продукта и принимает отраженный от нее сигнал. В методе FMCW частота сигнала непрерывно изменяется, и разность частот излученного и принятого сигналов пропорциональна расстоянию до поверхности. Прибор вычитает это расстояние из опорной высоты, получает уровень и передает его в систему управления сигналом 4–20 мА/HART.

Что дает частота 80 ГГц при измерении уровня?

Высокая частота позволяет получить узкий луч при малых антеннах. У приборов, описанных на этой странице, угол излучения составляет от 8° до 12° в зависимости от антенны. Узкий луч уменьшает паразитные эхо от стенки резервуара и внутренних устройств — лестниц, труб, змеевиков обогрева — и позволяет измерять через малые резьбовые присоединения, например ¾ дюйма. В высоких узких резервуарах измерение также остается сфокусированным на поверхности.

Как выбрать между бесконтактным и волноводным радаром?

Бесконтактный радар обычно выбирают первым, когда контакт с продуктом нежелателен: для липких или агрессивных продуктов, в резервуарах слишком высоких для зонда и в силосах. Волноводный радар может оказаться удобнее, если нужно измерять границу раздела двух жидкостей, диэлектрическая проницаемость очень низкая, измерение ведется в узкой байпасной камере или присутствует плотная пена. Окончательный выбор делается по данным о продукте и резервуаре.

Может ли радарный уровнемер измерять сыпучие материалы в силосах?

Да. Прибор измеряет уровень цемента, песка, известковой муки, пластиковых гранул, зерна, древесных гранул и других сыпучих материалов без влияния пыли и низкой отражающей способности. Диапазон зависит от антенны и продукта: с антенной с технологическим уплотнением рекомендуется измерение до 20 м для легких порошков и до 30 м для гранул и тяжелых порошков. Учитывайте также диаметр силоса, угол естественного откоса, внутренние препятствия и налипание на антенне.

Влияют ли пена, конденсат и налипание на антенне на измерение?

Сильная турбулентность, пена и конденсация в сочетании со слабо отражающими продуктами могут сократить диапазон измерения. При сильной конденсации и пыли предпочтительна антенна с технологическим уплотнением и контактирующими частями полностью из PTFE. Если на антенне ожидаются толстые отложения, можно использовать штуцер продувки воздухом, а диагностические функции заранее предупреждают о налипании. В аппаратах, где эхо поверхности существенно ослабевает, стоит рассмотреть альтернативные технологии.

Какая антенна применяется на открытом воздухе и в резервуарах без давления?

Линзовая антенна, предназначенная для открытого воздуха и резервуаров при атмосферном давлении, устанавливается на резьбу BSPP 1½ дюйма или на монтажный кронштейн. Она рассчитана на давление –1…0,5 бар и температуру процесса –20…80 °C; при применении на открытом воздухе нижний предел составляет –40 °C. Степень защиты — IP65 и NEMA 4X. Типичные применения — приямки, пруды и открытые каналы.

Как выполняется настройка по Bluetooth?

Опция Bluetooth поставляется вместе с графическим ЖК-индикатором и, как правило, обеспечивает беспроводное подключение к прибору с расстояния не менее 15 м в пределах прямой видимости. Настройку, просмотр эхо-профиля и обслуживание можно выполнять с совместимых инструментов конфигурирования, не открывая крышку корпуса и не приближаясь к взрывоопасной зоне. Фактическая дальность зависит от ориентации прибора, препятствий и электромагнитной обстановки.

Можно ли применять радарный уровнемер в функциях SIL, например для защиты от перелива?

Да. Прибор сертифицирован по IEC 61508 для применений SIL 2 в одноканальной архитектуре (HFT=0) и SIL 3 в резервированной архитектуре (HFT=1) и имеет систематическую пригодность SIL 3. Типичные функции — защита от сухого хода, защита от перелива и контроль диапазона уровня. Контрольное испытание с виртуальным эхо можно запустить дистанционно из операторной, без подъема уровня и остановки процесса.

Как выбрать место установки на резервуаре?

Прибор размещают так, чтобы он беспрепятственно «видел» поверхность продукта, — в стороне от центра резервуара и вне струи налива. Расстояние до стенки — не менее 200 мм; для жидкостей рекомендуется половина радиуса резервуара, для сыпучих сред — две трети. Отклонение от вертикали не должно превышать 3°, внутренняя поверхность патрубка должна быть гладкой, а высота патрубка ограничивается в зависимости от диаметра. Несколько приборов могут работать на одном резервуаре без взаимного влияния.