Система Saab Tank Radar TRL

Измерительная система обычно состоит из:

-радиоизотопного источника гамма-излучения (Co 60 или Cs 137), закрепленного с одной стороны сосуда; 

-приемника-детектора гамма-излучения (счётчика Гейгера), закрепленного с противоположной стороны сосуда; 

-контроллера, преобразующего поток импульсов от счетчика Гейгера в постоянный ток, пропорциональный их частоте [1].

Радиоизотопный уровнемер может быть использован для измерения  уровеня любых продуктов.

 

Рисунок 2.14 - Принцип действия радиоизотопного уровнемера

 

Примененяется даже при самых тяжелых условиях процесса: высоком давлении, высокой температуре, высокой коррозийности, токсичности, абразивности.

Наиболее широкое применение нашли бесконтактные уровнемеры, к которым относятся ультразвуковые и радарные.

 

2. 8 Ультразвуковой уровнемер

 

В акустических, или ультразвуковых, уровнемерах измерение уровня с применением ультразвукового уровнемера основывается на измерении времени пролета акустического сигнала, излучаемого и принимаемого одним и тем же ЧЭ датчика после его отражения от поверхности продукта (рисунок 2.15).

Данным датчиком уровня измеряется непосредственно уровень продукта в емкости. Расстояние, которое прошел ультразвуковой импульс, равно произведению времени распространения импульса и скорости звука.

 

H – высота резервуара; h – уровень жидкости в резервуаре

Рисунок 2.15 –  Принцип действия ультразвукового уровнемера

 

 Для различных газовых сред скорость распространения ультразвуковой волны будет   разной,   например для воздуха при температуре 0°С она равна 331 м/с, и при повышении температуры требуется ввести поправочный коэффициент 0,17% на каждый градус. Для этих целей в излучателе прибора предусмотрен датчик температуры, компенсирующий воздействие температуры.

Скорость распространения ультразвука в среде зависит от состава газового слоя и температуры и определяется по формуле:

 

                  (2.4)

                                                                      

где х – адиабатический коэффициент;

    RM – универсальная газовая постоянная, Дж/(кг К);

      T – температура газа, °С;

    M – молекулярный вес газа, кг.

 

 

Уровень жидкости определяется как:

 

                                                                                            (2.5)

 

где h – определяемый уровень жидкости, м;

     H – высота резервуара, м;

     с – скорость ультразвука в среде, м/с ;

      t – время прохождения ультразвука до поверхности жидкости и обратно, с.

Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим (рисунок 2.16); если внутри жидкости — ультразвуковым уровнемером. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости, во втором — наоборот. Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов,   измерения  времени     прохождения   импульсом    двойного (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал.

Рисунок 2.16 –  Конструкция акустического уровнемера

 

Уровнемер акустический предназначен для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред, в том числе взрывоопасных, агрессивных, вязких, неоднородных, выпадающих в осадок, а также сыпучих материалов с диаметром гранул и кусков от 5 до 300 мм, при температуре контролируемой среды от минус 30°С до плюс 120°С.

УЗК представляют собой упругие колебания с частотой, лежащей выше предела слышимости, т.е. более 18-20 кГц. Обладая свойствами звуковых колебаний, УЗК, благодаря повышенной частоте, приобретают и некоторые специфические свойства. Так, с повышением частоты, направленность УЗК увеличивается, и при частотах порядка 0,5-1 МГц и выше угол раскрытия пучка ультразвуковых лучей мал, что в определенных случаях позволяет рассматривать условия распространения  УЗК на основе законов геометрической оптики.

Ультразвуковые колебания излучаются и принимаются пьезоэлектрическими пластинами из кварца, титаната бария и других материалов, которые преобразуют электрические колебания, возбуждаемые генератором переменного напряжения высокой частоты, в упругие колебания  той же частоты и наоборот.

Ультразвуковые уровнемеры имеют самую низкую стоимость из всех бесконтактных датчиков уровня [6].

 

2.9 Радарный уровнемер

 

Микроволновые радарные уровнемеры – наиболее сложные и высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта контроля здесь используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона.

В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: с модулированным сигналом FMCW (frequency modulated continuous wave) и импульсные.

В уровнемерах FMCW происходит постоянное непрерывное излучение линейно-частотного модулированного сигнала и, одновременно, прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны (рисунок 2.17).

В результате на выходе получается смесь сигналов, которая анализируется с применением специального математического и программного обеспечения для выделения и максимально точного определения частоты полезного эхо-сигнала. Для каждого момента времени разность частот прямого и обратного сигналов прямопропорциональна расстоянию до контролируемого объекта.

H – высота резервуара; h – уровень жидкости в резервуаре; f1 и f2 – частоты посланного и отраженного сигналов

Рисунок 2.17 – Принцип действия радарного уровнемера

 

Уровнемер построенный на FMCW-принципе излучает и принимает электромагнитный сигнал непрерывно (непрерывный радар) с частотой изменяющейся по линейному закону. Окончательное значение уровня получается после спектрального анализа разности частот переданного и отраженного сигнала. Такой способ позволяет добиться высоких точностей измерения даже в условиях слабых отражений, т.к. амплитуда и форма отраженного сигнала уже не являются определяющими факторами - информацию несет частота и всегда имеется возможность произвести достоверные измерения даже в условиях слабых отраженных сигналов.

Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности.

Скорость распространения радиолуча практически не зависит от относительной диэлектрической проницаемости и относительной магнитной проницаемости и определяется как:

 

                           (2.6)                                                                              

 

где С0 – скорость света в вакууме, м/с;

      ε – относительная диэлектрическая проницаемость;

      µ – относительная магнитная проницаемость.

Уровень h определяется измерением временного интервала между моментом посылки сигнала и приходом отраженного сигнала. Эти величины связаны соотношением:

 

                   (2.7)                                                                                  

 

где τ – временной интервал, с;

     H – высота резервуара, м;

     h – уровень жидкости в резервуаре, м;

     V - скорость распространения радиолуча, м/с.

Импульсный уровнемер с высокой частотой посылает в сторону продукта импульсы электромагнитного сигнала и измеряет время задержки получения отраженного сигнала.

Так как время распространения электромагнитной волны чрезвычайно мало, а система обработки сигнала в таких уровнемерах построена максимально просто и нет спектрального анализа (в отличии от FMCW), а используется простейшее прямое вычисление времени задержки (известное еще с ультразвуковых уровнемеров), то время измерительного цикла тоже мало. Поэтому имеется возможность за единицу времени производить тысячи циклов измерения. То есть, потенциально, отследить каждое колебание поверхности. 

В реальности, при бурлении, отраженный сигнал формирует некоторый участок поверхности продукта, а не одна точка или поверхность. Отраженный сигнал будет в большей степени рассеиваться в пространстве. Поэтому, меньше энергии возвращается в антенну, при этом отраженный импульс искажается и становится заметно слабее по амплитуде (вплоть до исчезновения), чем при ровной поверхности. При этом, структура классического принципа импульсного измерения уровня не позволяет применить в таком уровнемере более серьезной обработки данных кроме как статистической (различные способы накопления). То есть, если импульс вернулся искаженным и с малой амплитудой, то он даст либо очень большую погрешность, либо произойдет срыв измерения.

Обычно, рабочая частота радарных уровнемеров, независимо от типа, варьирует от 5,8 до 26 ГГц. Чем выше частота, тем более узок луч и тем выше энергия излучения, а, следовательно, сильнее отражение.

Поэтому высокочастотные уровнемеры позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью [5]. Они, также, удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара. Вместе с тем, высокочастотные уровнемеры более чувствительны к таким явлениям как запыленность, испарения, волнение поверхности рабочей среды, налипание частиц среды на поверхность антенны вследствие более интенсивного рассеивания сигнала. В подобных условиях лучше работают уровнемеры с частотой от 0 -10 ГГц.

Другой важной характеристикой, влияющей на формирование сигнала, является размер и тип антенны. Различают следующие типы антенн: рупорная (коническая), стержневая, трубчатая, параболическая, планарная. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала.

Радиолуч, если он распространяется в открытом, не ограничивающем его пространстве, представляет собой конус, вершина которого совпадает с основанием антенны. Ширина этого конуса (угол раскрыва) обратно пропорциональна диаметру антенны и обратно пропорциональна частоте излучения:

 

,                                                             (2.8)                                                         

 

где α – ширина конуса, м;

       f – частота излучения, Гц;

     d – диаметр антенны, м.

Наиболее универсальный тип антенны – рупорная. Она применяется, как правило, в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35...40 м (в условиях спокойной поверхности).

Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения составляет до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции.

Трубчатая антенна представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью. Трубчатая антенна применима для небольшого диапазона измерения уровня.

Планарный и параболический типы антенн обеспечивают особо высокую точность (до ±1 мм) и применяются в системах коммерческого учета.

Радарные уровнемеры - наиболее универсальные средства измерения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов.

От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, их    изменениям, а    также большая    устойчивость   к   таким    явлениям   как

запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование.

Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до ±1 мм), что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем, существенным недостатком остается относительно высокая стоимость данных приборов [5].

 

2.10 Анализ технических  характеристик уровнемеров 

 

Добиться экономической эффективности при использовании уровнемера можно только при правильном выборе метода измерения, соответствующего реальным условиям применения. Каждый метод обладает характеристиками и возможностями, которые необходимо тщательно рассмотреть прежде, чем сделать окончательный выбор.