Волноводные радарные уровнемеры

Что такое волноводный радарный уровнемер?

Волноводный радар (GWR, guided wave radar) — контактная технология измерения уровня, в которой радарный принцип реализуется вдоль проводящего зонда. В бесконтактном радаре микроволновая энергия свободно излучается антенной, а в волноводном импульс распространяется по зонду, как по линии передачи. Сигнал не рассеивается в газовом пространстве резервуара, поэтому сильное и стабильное отражение сохраняется и в узких патрубках, и рядом с внутренними конструкциями, и на турбулентной поверхности, и внутри выносных камер.

Прибор работает по методу рефлектометрии во временной области (TDR): измеряется время между излученным импульсом и отражением от поверхности продукта, это время пересчитывается в расстояние, а затем в уровень. Та же измерительная цепь может оценить волну, которая прошла через верхний продукт и отразилась от поверхности второй жидкости, поэтому один прибор выдает и общий уровень, и уровень границы раздела фаз. Получение уровня, незаполненного объема, объема, скорости изменения уровня и силы сигнала от одного устройства сокращает число технологических врезок в резервуаре.

Волноводные радарные уровнемеры не имеют подвижных частей и не требуют периодической перекалибровки, поэтому их часто выбирают для замены механических буйковых и поплавковых приборов, для измерения границы раздела фаз и для камер высокого давления с паром. Для резервуаров, где зонд нежелателен, можно рассмотреть бесконтактные радарные уровнемеры; выбор между двумя технологиями следует делать с учетом диэлектрической проницаемости продукта, геометрии резервуара и условий процесса.

Принцип работы: рефлектометрия во временной области (TDR)

Волноводный радар регистрирует изменения волнового сопротивления, то есть скачки диэлектрической проницаемости, которые встречает электромагнитный импульс при движении вдоль зонда. Измерительная цепь включает пять основных этапов:

1.      Передача импульса по зонду: Электроника прибора формирует микроволновые импульсы длительностью порядка наносекунд с номинальной выходной мощностью около 300 мкВт. Через фланцевое или резьбовое присоединение импульсы вводятся в зонд, который ведет их вниз подобно волноводу.

2.      Отражение от поверхности продукта: Когда импульс встречает продукт, диэлектрическая проницаемость которого отличается от проницаемости газовой фазы над ним, часть энергии возвращается к прибору. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем сильнее отражение: жидкости с высокой проницаемостью, например вода, дают выраженное эхо, а углеводороды с низкой проницаемостью — более слабое.

3.      Пересчет времени пролета в расстояние: Разница во времени между опорным импульсом и отраженным сигналом измеряется и пересчитывается в расстояние. Вычитая его из заданной опорной высоты, прибор получает уровень продукта; при необходимости по геометрии резервуара рассчитывается и объем.

4.      Определение границы раздела по остаточной волне: Энергия, не отраженная от верхней поверхности, продолжает распространяться в верхней жидкости и дает второе отражение на поверхности нижней жидкости. Скорость этой волны целиком определяется диэлектрической проницаемостью верхнего продукта, поэтому при известном значении можно рассчитать уровень границы раздела и толщину верхнего слоя.

5.      Обработка сигнала и выход: Пороги, заданные на эхо-кривой, отделяют истинное эхо поверхности от шумов и паразитных отражений. Вычисленные переменные передаются в систему управления по 4–20 мА HART, FOUNDATION Fieldbus или RS-485 Modbus; демпфирование настраивается в диапазоне 0–60 с.

Влияние диэлектрической проницаемости на измерение

Главный параметр, определяющий границы применимости волноводного радара, — диэлектрическая проницаемость продукта (εr). Коаксиальные зонды измеряют продукты с проницаемостью от 1,2, а для однопроводных зондов нижний предел со стандартным уплотнением составляет 1,4 и снижается до 1,25 внутри металлической выносной камеры или успокоительной трубы. У гибких однопроводных зондов достижимая длина измерения растет с диэлектрической проницаемостью: при 1,4 практический диапазон составляет около 15 м, а для продуктов с проницаемостью 6 достигает 50 м. Алгоритмы, анализирующие отражение от конца зонда, позволяют дополнительно расширить нижнюю границу для продуктов с очень слабым эхом.

Типы зондов и распространение поля

В коаксиальном зонде электромагнитное поле заключено между внутренним стержнем и наружной трубой, поэтому оно почти не подвержено внешним помехам и дает самый сильный сигнал в чистых жидкостях с низкой проницаемостью. Вокруг однопроводного зонда поле занимает больший объем: такая конструкция более терпима к налипанию, но требует соблюдения расстояний до стенки резервуара, патрубка и внутренних конструкций. Коаксиальный зонд большого диаметра для камер — сбалансированный вариант между разрешением по границе раздела и стойкостью к налипанию.

Компенсация паровой фазы с опорным отражателем

Насыщенный пар высокого давления повышает диэлектрическую проницаемость газовой фазы и меняет скорость распространения импульса; без компенсации это приводит к погрешности уровня. Зонды для паровых применений оснащены опорным отражателем в известной точке вблизи фланца: он позволяет непрерывно измерять диэлектрическую проницаемость паровой фазы и динамически корректировать уровень. Метод применяется в выносных камерах 2, 3 или 4 дюйма; когда уровень приближается к зоне отражателя, прибор переходит на статическую компенсацию по последнему измеренному значению для пара.

Поскольку измерение основано непосредственно на положении поверхности продукта, изменения плотности или электропроводности не влияют на показания уровня. Для измерения границы раздела фаз, напротив, условием корректного результата является известная и стабильная диэлектрическая проницаемость верхнего продукта.

Ключевые особенности

·         Многопараметрическое измерение уровня и границы раздела: Уровень, незаполненный объем, уровень и расстояние до границы раздела, толщина верхнего слоя, объем верхней и нижней фазы, скорость изменения уровня, сила сигнала и внутренняя температура — от одного прибора.

·         Семейство зондов под любую задачу: Коаксиальные и коаксиальные большого диаметра, жесткие однопроводные 8 мм и 13 мм, секционные жесткие длиной до 10 м, а также гибкие однопроводные зонды с грузом или комплектом крепления ко дну.

·         Измерение продуктов с низкой проницаемостью: Измерение возможно при диэлектрической проницаемости от 1,2 с коаксиальным зондом и от 1,4 с однопроводным (1,25 в металлической камере или трубе).

·         Распознавание тонких верхних слоев: Алгоритм обработки сигнала отличает от нижней жидкости верхний слой толщиной от 2,5 см при использовании коаксиального зонда большого диаметра; для однопроводного зонда — от 6 см, для коаксиального — от 7 см.

·         Уплотнения для жестких условий: Стандартное, среднетемпературное/среднего давления, высокого давления, высокотемпературное/высокого давления и криогенное уплотнения охватывают диапазон от –196 °C до 400 °C и давление до 345 бар.

·         Зонды с компенсацией паровой фазы: Паровые зонды с опорным отражателем автоматически компенсируют изменение диэлектрической проницаемости газовой фазы в камерах с насыщенным паром высокого давления и сохраняют точность измерения уровня.

·         Контрольный отражатель: Отражатель на зонде позволяет проверить исправность прибора и верхней части зонда без подъема уровня и обеспечивает непрерывный контроль состояния верхнего предельного уровня.

·         Прогнозная диагностика: Показатели качества сигнала, отслеживающие соотношение эха поверхности, шума и порога, выявляют загрязнение зонда и внезапную потерю сигнала; эхо-кривая и журналы упрощают поиск неисправностей в режиме онлайн.

·         Гибкие варианты связи: Выходы 4–20 мА HART (по умолчанию ревизия 7, опционально ревизия 5), FOUNDATION Fieldbus и RS-485 Modbus; внешний беспроводной адаптер подключает прибор к сети WirelessHART (IEC 62591).

·         Модульный двухкамерный корпус: Электроника и клеммы размещены в разных отсеках; головку прибора можно снять с зонда без вскрытия резервуара и повернуть в любом направлении.

·         Укорачивание зондов на объекте: Все зонды, кроме высокотемпературного коаксиального зонда высокого давления и зонда с покрытием PTFE, можно укоротить на месте под фактическую высоту резервуара.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые технические данные семейства волноводных радарных уровнемеров, описанного на этой странице. Диапазон измерения, пределы температуры и давления и варианты материалов зависят от типа зонда, уплотнения, фланца и материала уплотнительных колец; окончательные значения следует подтверждать на этапе проекта.

Максимальные диапазоны измерения — ориентировочные значения для чистых жидкостей; патрубки, внутренние конструкции, пена, частицы в газовом пространстве и налипание на зонд могут их сократить. Выносной монтаж корпуса и дистанционные элементы на зонде могут влиять на точность.

 Основные преимущества

·         Прямое измерение, независимое от свойств среды: При изменении плотности, электропроводности, вязкости, pH, температуры или давления дополнительная компенсация и перекалибровка измерения уровня не нужны.

·         Минимальное обслуживание: Отсутствие подвижных частей исключает типичные для поплавковых и буйковых приборов работы: устранение механического износа, заеданий и периодическую подстройку.

·         Меньше технологических врезок: Уровень и граница раздела от одного прибора — это меньше патрубков на резервуаре и меньше потенциальных точек утечки.

·         Простая модернизация: Фланцы под существующие присоединения и зонды, укорачиваемые на месте, позволяют заменить старые приборы без переделки камеры или патрубка.

·         Работа в сложной газовой среде: Измерение остается стабильным при наличии пара, пыли, турбулентности и пены; для насыщенного пара высокого давления предусмотрены зонды с компенсацией паровой фазы.

·         Малые резервуары и сложная геометрия: Направляемый сигнал дает стабильное эхо в малых резервуарах, в аппаратах с большим количеством внутренних устройств и внутри камер; конструкция камеры на измерение не влияет.

·         Применимость в функциях безопасности: Исполнение с сертификатом SIL 2 и контрольные испытания с помощью контрольного отражателя упрощают документирование функций ПАЗ.

·         Верхний монтаж снижает риск утечек: Прибор устанавливается через верхний патрубок, поэтому боковые и донные присоединения ниже уровня жидкости не требуются.

Области применения

Волноводные радарные уровнемеры применяются в технологических аппаратах, контурах регулирования и системах безопасности, где нужно измерять уровень жидкости, границу раздела двух жидкостей или уровень сыпучих материалов. Для учета запасов в резервуарных парках следует отдельно рассматривать системные решения по измерению уровня в резервуарах.

Технологические резервуары и аппараты

Контроль уровня в смесителях, промежуточных емкостях и технологических аппаратах. В резервуарах с мешалками или интенсивным движением жидкости зонд рекомендуется закреплять ко дну или направлять.

Выносные камеры и замена буйковых уровнемеров

Для установки в выносные камеры предпочтительны коаксиальный зонд большого диаметра или однопроводный зонд; жесткие зонды применяются до 6 м, в более длинных камерах — гибкие зонды с грузом и центрирующим диском. При замене буйковых приборов присоединение подбирается под фланец камеры, а длина зонда — по длине буйка.

Измерение границы раздела двух жидкостей

В аппаратах, где нефть или нефтеподобная жидкость находится над водой или водоподобной жидкостью (обычно диэлектрическая проницаемость верхнего продукта ниже 3, нижнего — выше 20), общий уровень и граница раздела контролируются одновременно.

Насыщенный пар высокого давления

В камерах с паровой фазой насыщенного пара используются паровые зонды с опорным отражателем в выносных камерах 2–4 дюйма с фланцами, рассчитанными на рабочие давление и температуру; изменение диэлектрической проницаемости паровой фазы компенсируется непрерывно.

Криогенные и высокотемпературные процессы

Криогенное уплотнение позволяет работать до –196 °C, высокотемпературное уплотнение высокого давления — до 400 °C. Если превышается температурный предел электроники, корпус можно вынести с помощью соединения длиной 1, 2 или 3 м.

Силосы сыпучих материалов

Исполнение для сыпучих сред измеряет уровень до 35 м с гибким зондом 4 мм и до 50 м с гибким зондом 6 мм; пыль, влажность и колебания свойств материала на результат не влияют. Чтобы избежать больших растягивающих нагрузок, зонд рекомендуется оставлять слегка провисшим.

ПАЗ и защита от перелива

Исполнение с сертификатом SIL 2 по IEC 61508 и данными FMEDA применяется в функциях сигнализации верхнего уровня и защиты от перелива; контрольный отражатель помогает проводить контрольные испытания без подъема уровня.

Как выбрать волноводный радарный уровнемер

В волноводном радаре корректный результат зависит скорее от выбора зонда и монтажа, чем от самого прибора. Для технической оценки рекомендуем уточнить следующее:

Свойства продукта и процесса

·         Диэлектрическая проницаемость продукта (и газовой фазы, если это существенно); при очень низкой или переменной проницаемости стоит сравнить вариант с измерением перепада давления

·         Вязкость и склонность к налипанию: однопроводные зонды рекомендуются до 8 000 сП и допускают налипание, коаксиальные большого диаметра — до 1 500 сП при тонких отложениях, коаксиальные — до 500 сП без отложений

·         Наличие пены, эмульсии, кипения или турбулентности

·         Расчетные и рабочие температура и давление; наличие насыщенного пара

·         Химическая совместимость контактирующих металлов и уплотнительных колец

Условия для измерения границы раздела фаз

·         Диэлектрическая проницаемость верхнего продукта должна быть известна и неизменна

·         Проницаемость верхнего продукта должна быть ниже, чем у нижнего, а разница между ними — больше 6

·         Максимально допустимая проницаемость верхнего продукта: 7 для однопроводных зондов, 10 для коаксиальных

·         Ожидаемая минимальная толщина верхнего слоя и образование эмульсионного слоя

Геометрия монтажа

·         Резервуар или выносная камера / успокоительная труба? Для камер рекомендуется диаметр 3 или 4 дюйма (75 или 100 мм); для гибких зондов предпочтительно не менее 4 дюймов

·         Диаметр и высота патрубка: для однопроводных зондов рекомендуется диаметр 150 мм, при низкой проницаемости следует избегать патрубков 250 мм и более

·         Расстояние до стенки и внутренних устройств: не менее 100 мм до гладкой металлической стенки, больше — до мешающих объектов (трубы, балки) и до пластиковых или бетонных стенок

·         Расстояние между несколькими однопроводными зондами в одном резервуаре (1,6 м в нефтепродукте, 1,0 м в воде)

·         Необходимость монтажа на металлический фланец или металлический лист в неметаллических резервуарах

Диапазон измерения и мертвые зоны

·         Требуемый диапазон измерения и общая длина зонда (зонд должен перекрывать всю зону, в которой нужен уровень)

·         Мертвые зоны у верхнего и нижнего концов зонда; точки диапазона 4–20 мА следует задавать вне этих зон

·         Высота патрубка увеличивает верхнюю мертвую зону, а металлический центрирующий диск — нижнюю

Интеграция в систему и безопасность

·         Тип выхода: 4–20 мА HART, FOUNDATION Fieldbus или RS-485 Modbus

·         Требование по SIL (сертификат SIL 2 предлагается только с выходом 4–20 мА HART и не сочетается с наклонной установкой зонда)

·         Классификация взрывоопасной зоны и требуемый вид взрывозащиты

·         Проектная документация: гидравлические испытания, сертификаты прослеживаемости материалов, рекомендации NACE по материалам, документы по технологии сварки

В камерах и при низкой диэлектрической проницаемости металлическая труба исключает паразитные отражения от объектов за ее пределами. Для неоднозначных применений рекомендуется предварительная оценка на основе анализа эхо-кривой.

Сертификаты, функциональная безопасность и стандарты

Ниже кратко перечислены основные сертификаты, разрешения и стандарты, доступные для семейства волноводных радарных уровнемеров. Объем сертификации зависит от заказанной конфигурации.

Маркировка взрывозащиты и номера сертификатов зависят от конфигурации, поэтому они оцениваются на этапе проекта инженерами TLY Enerji вместе с соответствующими сертификатами на изделие.

Решения TLY Enerji на базе волноводных радарных уровнемеров

В TLY Enerji проект с волноводным радаром начинается не с прибора, а с точки измерения. Мы собираем данные о диэлектрической проницаемости продукта и верхней жидкости, вязкости и склонности к налипанию, наличии пара, геометрии резервуара или камеры и размерах патрубков, а затем совместно определяем тип и длину зонда, центрирующий диск и исполнение уплотнения. При замене буйковых уровнемеров переход проектируется под существующий фланец камеры и длину буйка, чтобы на объекте не требовалось менять трубопроводы или камеру.

Наши инженеры помогают оценить требования по взрывозащите и SIL, подготовить проектную документацию, интегрировать прибор в ПЛК/РСУ по HART, FOUNDATION Fieldbus или Modbus, выполнить анализ эхо-кривой и настройку порогов при пусконаладке, а также оказывают техническую поддержку в период эксплуатации. Благодаря этому даже в чувствительных применениях — на границе раздела фаз и на паре — измерение с первого запуска остается проверяемым и прослеживаемым.

Часто задаваемые вопросы

Как работает волноводный радарный уровнемер?

Прибор направляет маломощные микроволновые импульсы длительностью порядка наносекунд вдоль погруженного в продукт зонда. Когда импульс достигает поверхности с другой диэлектрической проницаемостью, часть энергии возвращается в виде эха. Время между излучением и отражением измеряется, пересчитывается в расстояние, а затем в уровень. Энергия, не отраженная от поверхности, доходит до нижней жидкости, поэтому тот же прибор измеряет и границу раздела фаз. Этот метод называется рефлектометрией во временной области (TDR).

Чем волноводный радар отличается от бесконтактного?

В волноводном радаре сигнал распространяется вдоль зонда, что дает сильное эхо в сложных условиях: в узких камерах, рядом с внутренними устройствами, на продуктах с низкой диэлектрической проницаемостью и при измерении границы раздела. В бесконтактном радаре сигнал свободно излучается антенной и ни одна часть прибора не касается продукта — это преимущество для липких или абразивных сред и резервуаров, где зонд установить нельзя. Выбор зависит от продукта, геометрии резервуара и необходимости измерять границу раздела.

Можно ли измерять продукты с низкой диэлектрической проницаемостью?

Да. Коаксиальные зонды, в том числе большого диаметра, измеряют при проницаемости от 1,2, однопроводные со стандартным уплотнением — от 1,4; внутри металлической камеры или успокоительной трубы предел снижается до 1,25. У гибкого зонда достижимая длина измерения уменьшается по мере снижения проницаемости. Для таких применений рекомендуется использовать металлическую камеру и избегать патрубков большого диаметра.

Какие условия нужны для измерения границы раздела фаз?

Диэлектрическая проницаемость верхнего продукта должна быть известна, стабильна и ниже, чем у нижнего, а разница между значениями — больше 6. Для верхнего продукта проницаемость не должна превышать 7 при однопроводном зонде и 10 при коаксиальном. Типичный случай — нефтеподобная жидкость с проницаемостью ниже 3 над водоподобной жидкостью. Если между фазами образуется эмульсионный слой, измерение нужно оценивать отдельно.

Можно ли заменить буйковый уровнемер волноводным радаром?

Да, перевод существующих буйковых камер на волноводный радар — распространенный вариант модернизации. Подбирается стандартный или специальный фланец под фланец камеры, а длина зонда задается по длине буйка. В камерах в первую очередь рассматривается коаксиальный зонд большого диаметра; жесткие однопроводные зонды применяются до 6 м, в более длинных камерах — гибкие зонды с грузом и центрирующим диском. Подвижные части и периодическая калибровка при этом исключаются.

Как пена, пар и налипание на зонд влияют на измерение?

Направляемый сигнал устойчив к пару, пыли, турбулентности и пене, однако плотная пена на поверхности и частицы в газовом пространстве могут ухудшить работу. Для насыщенного пара высокого давления применяются паровые зонды с опорным отражателем. Для продуктов, склонных к отложениям, предпочтителен однопроводный зонд, для липких продуктов стоит рассмотреть зонд с покрытием PTFE. Диагностические функции отслеживают налипание и помогают определить момент очистки.

Какой тип зонда выбрать?

В чистых жидкостях с низкой проницаемостью самый сильный сигнал дает коаксиальный зонд, но он не подходит при налипании. Для камер и измерения границы раздела предпочтителен коаксиальный зонд большого диаметра. Однопроводные зонды выбирают для вязких продуктов и сред с отложениями, больших диапазонов и резервуаров с внутренними устройствами: жесткие — до 6 м, гибкие — для больших длин. Секционный жесткий зонд упрощает транспортировку при жестком исполнении длиной до 10 м.

Можно ли укоротить зонд на объекте?

Все зонды, кроме высокотемпературного коаксиального зонда высокого давления и зонда с покрытием PTFE, можно укоротить на месте. Для коаксиальных зондов стандартного и среднетемпературного исполнения есть ограничение: зонды длиннее 1,25 м можно укоротить не более чем на 0,6 м, более короткие — до длины не менее 0,4 м. Гибкий однопроводный зонд можно укоротить до 1,0 м. После обрезки длину зонда нужно обновить в конфигурации прибора.

Можно ли применять волноводный радар в системах ПАЗ?

Да. Исполнение с выходом 4–20 мА HART поставляется с сертификатом по IEC 61508 для применений SIL 2 и данными FMEDA. Контрольный отражатель позволяет проводить контрольные испытания прибора и верхней части зонда без подъема уровня и непрерывно контролировать верхний предельный уровень. Сертифицированное по SIL исполнение не допускается при наклонной установке зонда, а построение функции безопасности оценивается для каждого проекта.

Что такое мертвая зона и как она влияет на измерение?

Мертвая зона — участок у верхнего и нижнего концов зонда, где измерение может быть невозможно или погрешность может превышать ±30 мм. Вблизи этих зон точность снижается, поэтому граничные точки диапазона 4–20 мА следует задавать за их пределами. Если однопроводный зонд находится внутри патрубка, высота патрубка добавляется к верхней мертвой зоне; при использовании металлического центрирующего диска нижняя мертвая зона составляет 20 см.