Глава 1 Уровнемеры
1.1 Понятие и классификации уровнемеров
Уровнемер — прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых сосудах, резервуарах, хранилищах и других ёмкостях. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе и газообразующие, а также сыпучие и другие материалы. Уровнемеры также называют датчиками/сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня — это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.
В промышленном производстве в настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах.
К наиболее распространённым методам измерения уровня, которые позволяют преобразовать значение уровня в электрическую величину и передавать её значение в системы АСУ ТП относятся: контактные методы:
? волноводный;
? поплавковый,
? ёмкостной,
? гидростатический,
? буйковый;
бесконтактные методы:
? зондирование звуком,
? зондирование электромагнитным излучением,
? зондирование радиационным излучением.
Приборы, измеряющие уровень, условно разделяют на две группы:
1) уровнемеры;
2) сигнализаторы уровня.
Измерение уровня жидкости заключается в измерении высоты её уровня от положения, принятого за нулевое. Многообразие типов уровнемеров объясняется разнообразием свойств измеряемых жидкостей.
По принципу действия различают следующие типы приборов, измеряющих уровень:
1. поплавковые,
2. буйковые,
3. дифференциальные
4. мембранные,
5. гидростатические,
6. пьезометрические,
7. ёмкостные,
8. контактные,
9. радиоактивные.
По виду измеряемого уровня вещества:
1.датчики уровня сыпучих материалов
2. датчики уровня жидкости
На рисунке 37 и рисунке 38 изображены датчики уровня сыпучих материалов и датчики уровня жидкости.
Рисунок 37-Датчики уровня сыпучих материалов
Рисунок 38-Датчики уровня жидкости
Измерение уровня с использованием емкостного метода – наиболее простой, дешевый и надежный способ измерения уровня. Этот метод обеспечивает достаточно хорошую точность, составляющую порядка 1,5 %, и имеет подобные ограничения, что и поплавковый метод - измеряемая среда не должна иметь тенденцию к налипанию, образование отложений и наростов на чувствительном элементе (зонде). Но в отличии от поплавкового метода измерения, емкостной метод применяется как для жидких, так и для сыпучих продуктов (имеющих размер гранул не более 5 мм). Также следует учитывать, что характерным и принципиальным ограничением для использования емкостного метода – неоднородность среды. Измеряемая среда должна быть однородной.
Принцип работы уровнемера основан на принципе конденсатора - чувствительный зонд емкостного уровнемера и металлическая стенка емкости (или опорный зонд) представляет собой обкладки конденсатора, погруженные в среду измерения. Также для жидких сред может быть использован метод измерения труба в трубе (коаксиальный зонд). При измерении в токопроводящих средах чувствительный зонд покрыт специальным изолятором, обычно фторопластом. При изменении уровня продукта в емкости, на обкладках конденсатора преобразуется в выходной электрический сигнал.
Сейчас для емкостного принципа действия разработано большое количество модификаций емкостных уровнемеров, которые предназначены для измерения в различных средах, в том числе высоко агрессивных, взрывоопасных продуктах, при различных температурах и климатических условиях и различных физико-химических состояниях контролируемой жидкости. Модификации уровнемера предусматривают его работы как в непрерывном режиме, так и в дискретном.
Измерение уровня с помощью ультразвукового метода. В основе измерения уровня ультразвуковым уровнемером положен принцип измерения времени, которое затрачивается на пролет расстояния акустическом сигналом, который излучается излучателем уровнемера, отражается от поверхности продукта и возвращается обратно на приемник уровнемера. Излучатель и приемник уровнемера изготовлен в одном корпусе. Этот датчик уровня позволяет непосредственно измерять уровень продукта в емкости. Расчет расстояния, которое преодолел ультразвуковой импульс, рассчитывается на основе произведения измеренного времени, затрачиваемое этим импульсом на преодоление этого расстояния на скорость распространения звуковой волны в этой среде. Скорость звука, как известно, для различных газовых сред и температур разная, например, для воздушной среды и при ее температуре 0°С она составляет 331 м/с. При увеличении температуры необходимо постоянно вводить поправочный коэффициент, который составляет 0,17% на каждый изменяемый градус. Для компенсации погрешности измерения времени пролета от изменения температуры среды, в конструкции уровнемера easytrek имеется встроенная термопара, которая измеряет температуру излучателя, и подает ее значение в электронный блок уровнемера. Герметичный корпус прибора позволяет использовать датчик для решения большинства задач измерения уровня и позволяет избежать большинства ошибок при его монтаже.
Недостатки: большое расхождение конуса излучения; отражения от нестационарных препятствий (например мешалок) могут вызвать ошибки измерения; применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением; на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.
Принцип действия волноводного уровнемера основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением (TDR = Time Domain Reflectometry). Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии отражается в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо- сигнала пропорционален расстоянию до границы раздела двух сред. Интенсивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала.
В буйковых уровнемерах принцип действия основан на измерении перемещения буйка или силы гидростатического давления, действующей на буёк. Буёк, в отличие от поплавка, не плавает на поверхности жидкости, а погружен в жидкость и перемещается в зависимости от её уровня.
Буйковые уровнемеры наиболее часто применяются для измерения уровня однородных, в том числе агрессивных жидкостей, находящихся при высоких рабочих давлениях (до 32 МПа) и высоких температурах. Главная особенность буйковых уровнемеров - возможность измерения уровня границы раздела двух жидкостей.
Недостатки этих уровнемеров - зависимость их точности и плотности и температуры измеряемой среды, ограниченность использования для больших диапазонов (свыше 16м).
Далее для более наглядного сравнения методов измерения уровня рассмотрим таблицу 1.
Таблица.1 Сравнительный обзор методов измерения уровня
Условия процесса Емкостной Ультразвуковой Волноводный Радарный Лазерный Буйковый
Аэрация 1 2 1 2 2 1
Перемешивание 2 3 3 1 2 1
Изменения температуры окружающей среды 1 2 1 1 1 2
Коррозия 1 1 2 1 1 2
Изменения плотности 1 1 1 1 1 2
Изменения диэлектрической постоянной среды 3 1 Г 1 1 1
Пыль 1 3 1 2 3 3
Эмульсия 1 1 2** 1 1 1
Пена 2 3 1 2 3 1
Высокая температура процесса 1 3 1 2 1 1
Высокое давление в резервуаре 1 3 1 2 1 1
Внутренние конструкции в резервуаре 2 2 2 2 2 1
Низкие температуры процесса (-40°С) 1 1 1 1 1 2
Вакууметрическое давление в резервуаре (разрежение) 1 3 1 1 1 1
Помехи (ЭМП, двигатели) 1 2 1 1 2 1
Осаждения 3 2 2 1 2 3
Суспензии 1 1 2 1 1 3
Сыпучие материалы 2 2 1 1 1 3
Пары 2 2 1 1 2 1
Вязкие, липкие среды 2 1 2 1 1 3
1 = Хорошо: это условие слабо влияет или не оказывает воздействия на эффективность данного метода.
2 = Удовлетворительно: этот метод может работать в данных условиях, но надежность измерений может быть снижена или может потребоваться специальный монтаж.
3 = Плохо: этот метод не подходит для данных условий.
* Изменения диэлектрической постоянной влияет на погрешность измерения уровня границы раздела сред.
** Общий уровень хорошо, уровень поверхности раздела - удовлетворительно.
Итак, из данной таблицы 1 видно, что радарные уровнемеры, на данный момент, подходят для работы в самых разных условиях достаточно хорошо и надежно , 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.
1.2 Принцип действия радарных уровнемеров
Принцип работы радарных уровнемеров изображен на рисунке 1 и основывается на измерении времени прохождения радиоволны от антенны до поверхности вещества и наоборот.
Рисунок 1-Принцип действия радарного уровнемера
При первом рассмотрении импульсный метод является более простым. Он состоит в разности времени запаздывания принятого сигнала относительно излученного. Однако при более тщательном рассмотрении данного метода находятся не мало трудностей в реализации данного метода, а именно: излученный импульс должен быть коротким для того чтобы он закончился раньше, чем отраженный импульс поступит в антенну, а это реализовать достаточно сложно. Излучающий элемент должен создавать мощный радиоимпульс чтобы обеспечить необходимое соотношение сигнал/шум, в особеннрсти кода требуется измерить широкий диапазон уровня при низких отражательных возможностях измеряемого вещества.
Поэтому импульсный метод не получил массового применения когда необходимость в высокоточным измерением возрастает, а применяется лишь там где это не требуется и достаточно высока отражательная способность продукта
Радарные уровнемеры использующие модулированное по частоте радиоизлучение получили широкое распространение, где требуется высокоточное измерение. Принцип действия такого метода следующий: с помощью генератора датчика уровня формируется радиосигнал. Частота такого радиосигнала изменяет свое значение во времени по линейному закону– линейный частотно-модулированный сигнал. Данный сигнал излучается от антенны в сторону продукта, потом отражается и часть отраженного сигнала попадает в антенну.
В датчике уровня происходит смешение излученного и отраженного сигнала и результирующим сигналом является сигнал частота которого равна разности частот принятого и излученного сигналов и соответственно расстоянию от антенны до измеряемого продукта. Далее сигнал обрабатывается с помощью микропроцессорной системой датчика уровня. Задача этой системы состоит в определении частоты результирующего сигнала, затем идет пересчет этого значения в значение уровня заполнения резервуара.
Наиболее важными являются следующие параметры радарного уровнемера:
1)точность
2)быстродействие
3) чувствительность
4)цена
5)простота монтажа.
Все радарные уровнемеры состоят из следующих узлов:
1) антенна;
2) приемопередающий (СВЧ) блок;
3) сигнальный процессор;
4) контроллер коммуникации.
1.3 Составные части
1.3.1 Антенна
Антенна- это самая главная часть в радарном уровнемере. Именно от нее зависит как сигнал достигнет поверхности измеряемого вещества, как он отразится от поверхности и какая часть сигнала будет принята на вход электронного блока для последующей обработки
Главная задача антенны - это формирование радиолуча. Если радиолуч распространяется в не ограничивающем его пространстве, то он представляет из себя конус, а в основании антенны находится вершина конуса. Ширина этого конуса (угол раскрыва) обратно пропорциональна апертуре (диаметру) антенны и обратно пропорциональна частоте излучения (это, как правило, является фундаментальным и не зависит от типа антенны). Для получения максимальной точности измерения необходимо обеспечить высокую линейность изменения частоты излучения. Эту проблему последнее время стало просто решить с помощью высокоточных синтезаторов частоты, которые управляются процессором.
Для контроля уровня в радарных системах используются 5 типов антенн:
1)рупорная
2)стержневая
3)параболическая
4)трубчатая
5)планарная
Рупорные антенны получили широкое применение для радарных уровнемеров. Их используют для больших резервуаров. Такие радарные уровнемеры могут работать с различными средами в зависимости от отражающей способности и диэлектрической проницаемости измеряемого вещества. Рупорные антенны применяются даже в сложных условиях и обеспечивают возможность измерения до 40 метров при условии, что поверхность спокойна. На данном рисунке изображен уровнемер с рупорной антенной «УР-203 Ex», «РДУ-1» и «ГАММА-РДУ», и защищенный «РДУ-Х2».
Рисунок 3-Радарный уровнемер с рупорной или конической антенной
Тросовая антенна является одной из разновидностей стержневой удлиненной погружной антенны. В качестве антенны выступает металлический трос (рисунок 5). Такие антенны хорошо подходят для измерения уровня сыпучих и жидких сред. На точность измерений не влияет шум, пыль, пена, вскипание, конденсат. Тросовые антенны хорошо подходят для больших емкостей различных форм, в том числе и не правильных. Тросовая антенна измеряет в диапазоне от 0 до 75 метров.
Рисунок 5-Радарный уровнемер с тросовой антенной.
Трубчатая или коаксиальная антенна представляет собой удлиненный волновод. Благодаря низкому рассеиванию такая антенна формирует сильный сигнал. Трубчатая антенна предназначена для сложных случаев: сильное волнение поверхности среды, большое количество пены на поверхности. Диапазон измерения с такой антенной очень небольшой.
Рисунок 6-Радарный уровнемер с трубчатой (коаксиальной) антенной.
Уровнемер с параболической антенной является прибором с самой большой точностью. Точность измерения может составлять до 1мм. В основном применяются в системах для коммерческого учета.
Рисунок 7-Радарный уровнемер с параболической антенной
Планарная или микрополосковая антенна. Точность такой антенны зависит от множества параметров, начиная от производителя и заканчивая размером печатной платы. За такими антеннами стоит великое будущее. Примером высокой точности могут служить такие антенны как: «УЛМ-11», «УЛМ-11А1», «УЛМ-11А2» и «УЛМ-31А2».
Рисунок 8-Радарный уровнемер с планарной (микрополосковой) антенной.
Рупорная и стержневая антенны используются для контроля уровня в производственном оборудовании. Трубчатые антенны применяются когда имеются факторы мешающие контролю жидкости, например: пена, высокое испарение, высокая турбулентность жидкости. Параболические и планарные антенны используются в основном для коммерческого учета нефтепродуктов
Невозможно установить какую-то конкретную частоту подходящую для всех радарных систем по контролю уровня, так как в одном случае одна частота будет служить преимуществом, а в другом случае такая частота будет служить недостатком.
С помощью увеличения частоты и размеров антенны можно установить необходимую ширину луча, которая не задевает стенки резервура. У высокочастотного радарного уровнемера при одной и той же ширине луча габариты антенны будут меньше во столько раз, во сколько раз его частота выше по сравнению с уровнемером который работает при меньших частотах. Данный факт проиллюстрирован рисунком 2. На этом рисунке изображен уровнемер УЛМ-11. Он работает на частоте свыше 100 ГГц и имеет ширину луча равную 7°, а антенна из-за небольших размеров не выходит за контуры корпуса, и радарный уровнемер с одинаковой шириной луча, но работающий на частоте 20 ГГц.
Параметры антенны очень сильно влияют на точность измерения. Для проведения высокоточных измерений необходимо установление высокого отношения сигнал/шум на входе радарного уровнемера. При одинаковой мощности излучения и коэффициенте шума отношение сигнал/шум увеличивается из-за сужения радиолуча. А уменьшение ширины луча возможно добиться либо увеличением размеров антенны либо за счет увеличения частоты.
В качестве самостоятельных антенн рупорные антенны используются в тех случаях, когда не требуется очень узкая диаграмма направленности и когда антенная должна быть достаточно диапазонной (широкополосной).
Рупорные антенны могут работать в широком диапазоне частот.
Рисунок 56 - Изменение КНД пирамидальных и конических рупоров с частотой. [56, с. 61].
При помощи рупора можно перекрыть приблизительно двойной диапазон волн. Собственно говоря, диапазонность рупорной антенны ограничивается не рупором, а питающим его волноводом.
Большая диапазонность рупорных антенн и простота конструкции является существенными достоинствами этого типа антенн СВЧ, благодаря которым они находят широкое применение в технике антенных измерений и измерений характеристик электромагнитного поля.
Рупорные антенны широко применяются в качестве облучателей более сложных антенных устройств. Например, для облучателей зеркальных и линзовых антенн.
Рупорные антенны бывают следующих видов:
1)Пирамидальный рупор - антенны в форме четырехгранной пирамиды, с прямоугольным сечением. Они являются наиболее широко используемым типом рупорных антенн. Излучает линейно-поляризованные волны.
Рисунок 33- Пирамидальная рупорная антенна: 1 — рупор; 2 — питающий радиоволновод. Направление максимального излучения показано стрелкой.
Такой рупор образуется при плавном расширении волновода в обеих плоскостях. Его приближенно можно рассматривать в виде наложения двух
Е- и Н15°. Продолжения стенок пирамидального рупора могут пересекаться в одной точке (?-секториальных рупоров. Он позволяет получить ДН, близкую к осесимметричной, с шириной порядка 10LЕ = LН) и тогда его называют остроконечным. Если они пересекаются в разных точках
