Волноводные радарные уровнемеры

В статье рассказано о технологии радарных уровнемеров и TDR-уровнемеров. Представлены TDR-уровнемеры волноводного типа УМВ-СЕНС.

Научно-технический и промышленно-производственный кооператив «ПЛАЗма и ВАКуум» (НТППК «ПЛАЗВАК») был основан в Советском Союзе для нужд атомной промышленности: предприятие должно было выпускать установки плазменно-ионной имплантации и безмасляные вакуумные насосы. Поскольку предприятие было основано в 1989 году, через несколько лет ему пришлось искать возможности для расширения своей сферы деятельности. Новым направлением работы стала поставка на российский рынок немецких высококачественных приборов контроля уровня «Кюблер», а со временем – и изготовление этого оборудования. Эти уровнемеры должны были выдерживать температуру до 400 °C и давление до 420 бар, в их производстве специалисты компании «ПЛАЗВАК» применяли собственные уникальные технологии высокоточной сварки и металлообработки. В настоящее время компания вошла в группу компаний КСР, где практически полностью локализовано производство данных уровнемеров, а также сигнализаторов и другого оборудования и выпускается линейка приборов контроля уровня, способных удовлетворить потребности практически любого промышленного предприятия. В статье мы расскажем о некоторых моделях линейки.

Волноводные радарные уровнемеры (которые иначе называют микроволновыми, микроимпульсными, рефлекс-радарными или контактными) являются разновидностью радарных уровнемеров – приборов, использующих для определения уровня радиоволны, но оснащены волноводом для погружения в измеряемую среду. В отличие от других радарных уровнемеров им требуется контакт с измеряемой средой, что является своего рода недостатком. Однако он компенсируется такими достинствами, как высокая точность и повторяемость измерений, минимальный размер «мертвых» (нечувствительных) зон, способность работать при экстремальных давлениях и температурах рабочей среды, а также определять границу раздела несмешивающихся жидкостей, нечувствительность как к конденсации насыщенных паров, так и к форме сосуда или технологического аппарата.

Первые радарные уровнемеры

Слово «радар», означающее радиолокационную станцию, бы­ло придумано в 1940 го­ду в Военно-морских силах США и изначально представляло собой аббревиатуру от Radio Detec­ting And Ranging – «радиообнаружение и измерение дальности». В те го­ды – накануне и во время Второй мировой войны – системы радиолокации разрабатывались несколькими странами в военных целях. Позже слово радар перекочевало в общеупотребительную лексику и перестало восприниматься как аббревиатура, а военные технологии нашли общепромышленное применение. Например, на основе магнетронов (генераторов СВЧ-излучения) разработали бытовые микроволновые пе­чи, а принципы радиолокации бы­ли положены в основу промышленных измерительных приборов: дальномеров, высотомеров и уровнемеров.

Впервые измерительное оборудование, использующее радиолокацию, появилось в нефтяной отрасли. Этому способствовал нефтяной кризис 1973 го­да: нефть подорожала, и для ее погрузки, транспортировки танкерами и отгрузки потребовались датчики, способные с высокой точностью измерять количество продукта и обеспечивать надежный контроль его расхода. Такой прибор изготовила компания Saab, производитель радиолокационных станций для самолетов и морских судов. Первый радарный уровнемер ее разработки установили на танкер в 1976 го­ду, а через десять лет эта компания, уже войдя в группу Emerson и выпуская приборы бренда Rosemount, стала лидером рынка уровнемеров как для морских, так и для стационарных применений.

Интересно, что адаптация радарного прибора для гражданских целей потребовала от компании повысить его характеристики. Так, в отличие от военной техники уровнемер должен был надежно работать на протяжении не нескольких часов, а нескольких лет, иметь возможность выдерживать экстремальные значения температуры и давления, быть устойчивым к агрессивным, коррозионным, взрывоопасным средам, при этом стоимость изделия должна бы­ла оставаться доступной для промышленных заказчиков.

Уровнемеры TDR

В 1990-х годах появилась технология TDR (от Time Domain Re­flec­to­met­ry – рефлектометрия во временнoй области), использующая для контроля электрических линий отраженный электромагнитный сигнал. Данная технология позволяла находить место обрыва или неисправности подводных и подземных кабелей: электрических, телефонных, коммуникационных. По форме и времени прохождения отраженного электромагнитного сигнала можно бы­ло быстро определить и точно локализовать неисправность.

Немецкая компания KROHNE, известный производитель контрольно-измерительного оборудования, использовала эту технологию для приборов измерения уровня жидкости и в 1996 го­ду выпустила первый рефлекс-радарный уровнемер.

TDR-уровнемеры оснащены волноводом, который погружается в измеряемую среду. По волноводу распространяется микроволновый электромагнитный импульс, отражающийся от поверхности измеряемой среды или границы раздела двух сред и возвращающийся в принимающее устройство. По времени, которое проходит от момента излучения опорного импульса до приема обратного импульса, уровнемер вычисляет уровень среды. Алгоритм работы TDR-уровнемера волноводного типа представлен на рис. 1.

Рис. 1. Алгоритм работы TDR-уровнемера волноводного типа

Отражение электромагнитного импульса происходит за счет разницы диэлектрической проницаемости сред. Амплитуда отраженного сигнала зависит только от физических свойств среды (характеристического сопротивления Zi). Чем вы­ше диэлектрическая проницаемость среды, тем вы­ше коэффициент отражения и амплитуда отраженного сигнала A2.

 – характеристическое сопротивление, где ε – диэлектрическая проницаемость среды, μ – магнитная проницаемость среды.

 – амплитуда отраженного сигнала,  где А1 – амплитуда опорного сигнала.

Для того чтобы показать преимущества волноводных радарных уровнемеров, перечислим требования, которые выдвигаются к бесконтактным радарным уровнемерам.

Первое из них относится к длительности импульса. Излучаемый уровнемером сигнал должен закончиться прежде, чем в приемник поступит отраженный импульс. Эта характеристика зависит от такого параметра, как минимальное расстояние, которое требуется измерить. Типичная длительность импульсов радарного уровнемера составляет несколько наносекунд.

, где Rmin – миниальное измеряемое расстояние, c – скорость распространения электромагнитных волн (скорость света).

Второе требование относится к периоду следования импульсов. Он должен быть достаточно большим для то­го, чтобы следующий излучаемый импульс сформировался не раньше, чем в приемник поступит отраженный импульс предыдущего цикла. Эта характеристика зависит от максимального расстояния, которое требуется измерить.

, где Rmax – максимальное измеряемое расстояние, c – скорость распространения электромагнитных волн (скорость света).

Третье требование касается мощности импульса. Излучаемый импульс должен быть достаточно мощным, чтобы обеспечить в принятом сигнале требуемое соотношение сигнала и шума. Согласно основной формуле радара, мощность, отраженная от це­ли, и измеряемое расстояние находятся в обратной пропорциональной зависимости четвертой степени: , где PS – мощность излучателя, Pe – минимальная чувствительность приемника, G – коэфициент усиления антенны, λ – длина волны, σ – эффективная площадь рассеивания.

В некоторых ситуациях, таких как низкая диэлектрическая проницаемость среды, большой диапазон измеряемых уровней, ограничение допустимой мощности (при двухпроводном подключении «токовая петля» 4–20 мА), третье требование становится трудновыполнимым.
Наконец, необходимо упомянуть ограничения, вызванные малыми измеряемыми расстояниями. Когда время задержки отраженного сигнала находится в пикосекундном диапазоне, для измерения временного интервала необходимо применять специальные аппаратные и программные средства.

Применение волноводных уровнемеров TDR дает ряд несомненных преимуществ по сравнению с бесконтактными радарными уровнемерами:

- благодаря волноводу, внутри которого локализована электромагнитная энергия, TDR-уровнемеры отличаются низким уровнем шумов, а значит, более высокой точностью и повторяемостью измерений (рис. 2);

Рис. 2. Волновод TDR-уровнемеров обеспечивает низкий уровень шумов

- данные приборы выдерживают экстремальные характеристики рабочей среды: давление до 30 МПа и температуру до 400 °C;

- если у бесконтактного радарного уровнемера насыщенные пары и конденсация влаги вызывают дополнительную погрешность измерений (так как они воздействуют на скорость распространения электромагнитной волны), то волноводный радарный уровнемер к ним нечувствителен (рис. 3);

Рис. 3. Влияние насыщенного пара и (или) конденсации влаги на показания бесконтактного и волноводного радарного уровнемеров

- также на TDR-уровнемер неспособна повлиять форма резервуара, в то время как у бесконтактных радарных уровнемеров сигнал может отражаться от стенок горизонтальной емкости (рис. 4);

Рис. 4. Влияние формы резервуара на сигналы бесконтактного и волноводного уровнемеров

- возможность измерения границы раздела несмешивающихся жидкостей (рис. 5);

Рис. 5. Волноводный радарный уровнемер способен измерять границу раздела несмешивающихся жидкостей

- радарные уровнемеры волноводного ти­па имеют минимальные зоны нечувствительности (так называемые мертвые зо­ны): всего 10…20 мм;

- благодаря волноводу TDR-уровнемер способен измерять уровень в узких сосудах и аппаратах, а также выносных (байпасных) камерах. При этом использование выносных камер является рекомендуемым решением, так как создается коаксиальный эффект (наличие защитного экранирования) и прибор более эффективно работает, особенно на средах с низкой диэлектрической постоянной. Именно такой принцип применен в байпасных поплавковых указателях уровня УПБ 1015 производства ООО «КСР-2». Данное измерительное оборудование работает с применением волноводного TDR-уровнемера УМВ-СЕНС производства ООО «НПП «Сенсор».

Предусмотрено несколько вариантов установки волноводного уровнемера УМВ-СЕНС в составе поплавкового указателя уровня УПБ 1015 (рис. 6):
- волновод расположен в уширенной камере и отделен отсеком от магнитного поплавка, управляющего роликовым индикатором, магнитострикционным или потенциометрическим преобразователем уровня и сигнализаторами уровня;
- уровнемер имеет сдвоенную камеру, в одной из них расположен волновод TDR-уровнемера, а в другой – магнитный поплавок;
- уровнемер имеет одну байпасную камеру, где находится волновод TDR-уровнемера вместе с магнитным поплавком. Волновод выполнен в ви­де полой трубы и допускает передвижение по не­му поплавка с магнитной системой. Данная конструкция, защищенная патентом РФ на полезную модель № 203670, повышает точность и надежность измерений уровня жидкости.

Рис. 6. Варианты установки волноводного уровнемера УМВ-СЕНС в составе поплавкового указателя уровня УПБ 1015

Волноводные уровнемеры УМВ-СЕНС имеют два исполнения по излучаемой мощности: стандартное мощностью 1,0 Вт для двухпроводной схемы подключения и мощностью 3,2 Вт для четырехпроводной схемы подключения, что очень важно для устойчивой работы устройства на средах с низкой диэлектрической проницаемостью и высоким уровнем помех.

Подобрать оборудование, подробно проконсультироваться и получить полную, исчерпывающую информацию можно в компании «ПЛАЗВАК», которая совместно с производителями ООО «КСР-2» и НПП «СЕНСОР» является поставщиком данной продукции.

Статья опубликована в журнале «ИСУП»

Статья на сайте журнала >>