Приборы для измерения уровня

установки датчика и высотой резервуара). Это расстояние вычисляется по измеряемому

времени, которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от

датчика до поверхности контролируемой среды и обратно (рис. 24).

24

h = htot -1/ 2vst .

Здесь vs— скорость распространения

ультразвукового сигнала в данной среде.

Химические  и физические свойства среды не

влияют на результат измерения, полученный УЗК -

методом, поэтому без проблем может измеряться уровень

агрессивных, абразивных, вязких и клейких веществ.

Однако необходимо помнить, что на скорость

распространения ультразвука оказывает влияние

температура воздуха в среде его распространения.

Кроме того, будучи сильно зависимой от

температуры, скорость ультразвука зависит от давления

воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные __________с изменениями давления в

нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют

приблизительно 5%. Скорость ультразвука также зависит от состава воздуха, например, от

процентного содержания СО2 и влажности. Влияние относительной влажности на

скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемым

температурой и давлением: дополнительная разница скорости в сухом и насыщенном

влагой воздухе составляет около 2%.

Основные достоинства УЗК - метода:

v бесконтактный;

v применим для загрязнённых жидкостей;

v реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости и

прочности оборудования;

v независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

v большое расхождение конуса излучения;

v отражения от нестационарных препятствий (например мешалок) могут

вызвать ошибки измерения;

v применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;

v на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.

Ультразвуковые  датчики серии LUC4

УЗК - датчики  серии LUC4 специально разработаны для измерения уровня как

жидкостей, так и сыпучих материалов. Тефлоновое покрытие корпуса датчика позволяет

применять датчик с коррозионными жидкостями. Маскирование стационарных объектов

даёт возможность устанавливать датчик в местах, где подпорки или другие элементы

внутренней конструкции резервуара попадают в зону измерения.

Датчик также  оснащён средствами для компенсации  влияния изменений

температуры. Кроме того, можно установить внешние зонды, которые контролируют

температуру измеряемой поверхности независимо от условий в месте монтажа датчика,

что минимизирует погрешности, вызванные температурными колебаниями.

Ультразвуковые  датчики серии LUC-Т

Компактные  УЗК - датчики серии LUC-Т предназначены для бесконтактного

измерения уровня жидкостей и насыпных твёрдых сред. Серия LUC-Т включает в себя

три типа датчиков с различными видами электрических выходов (2- или 4-проводное

подключение) и диапазонами измерения расстояния до уровня раздела сред, начиная с

0,25 м.

LUC-Тxx-x5: в случае 4-проводного подключения при измерении с размерами

структурных компонентов материала от 4 мм гарантированный диапазон измерения

составляет до 2 м, при измерении уровня жидкостей — до 5 м (2-проводное подключение

с питанием через информационный канал— до 4 м).

25

LUC-Тxx-x6: в случае 4-проводного подключения при измерении уровня сыпучих

материалов с размерами структурных компонентов материала от 4 мм гарантированный

диапазон измерения составляет до 3,5 м, при измерении уровня жидкостей — до 8 м (2-

проводное подключение с питанием через информационный канал— до 7 м).

LUC-Т30 (только 4-проводное подключение): гарантированный диапазон

измерения при определении уровня сыпучих материалов с размерами структурных

компонентов материала от 4 мм составляет до 7 м, при измерении уровня жидкостей— до

15 м.

Все датчики  имеют встроенную систему компенсации  влияния температурных

колебаний на результаты измерений.

Радарные  системы контроля уровня

Существует  множество самых различных методов  контроля уровня, позволяющих

получать информацию как о предельных его значениях, так и о текущем значении.

Гораздо меньшее  число методов реализовано в  промышленных системах. Некоторые из

реализованных методов являются уникальными, и случаи их применения можно

пересчитать по пальцам одной руки, другие — гораздо более универсальны и потому

широко используются в серийных системах. Но есть и методы, удачно сочетающие в себе

и уникальность, и универсальность. В первую очередь, к ним можно отнести

микроволновый бесконтактный метод, в просторечии небезосновательно именуемый

радарным. Этот метод, с одной стороны, обеспечивает минимальный контакт

измерительного устройства с контролируемой средой, а с другой стороны— практически

полностью нечувствителен к изменению её температуры и давления. Причем и

температура, и давление могут иметь значения, недопустимые для применения других

методов, в первую очередь, контактных. Безусловно, уникальность возможностей не

может не сказываться на цене приборов. Но прогресс в этой области настолько велик, а

преимущества метода столь очевидны, что можно достаточно уверенно прогнозировать

очень широкое распространение радарных систем контроля уровня уже в самом

недалеком будущем.

При всех существующих различиях общим остается принцип  действия:

излучённый СВЧ - сигнал отражается от контролируемого объекта, принимается обратно

и соответствующим образом обрабатывается. Результатом обработки является значение

того или иного параметра объекта: дальность, скорость, направление движения и т.д.

Радиолокаторы широко используются в метеорологии, в космических

исследованиях для дистанционного зондирования планет и т.д. И вот в 1976 году фирма

SAAB первой  в мире применяет радарную  технологию для контроля уровня  сырой нефти,

перевозимой супертанкерами. К тому моменту для подобной цели широко использовались

поплавковые, буйковые и диф. - манометрические (разновидность гидростатических)

измерительные системы, основной недостаток которых заключался в большой

зависимости точности измерения от таких физических параметров контролируемой среды,

как температура, давление и плотность. Кроме того, для этих систем требовалось

довольно частое техническое обслуживание этих систем, связанное с необходимостью

удаления различного рода отложений и загрязнений, поскольку все перечисленные

системы являются контактными по своей природе. Уровнемеры же, основанные на

радарном методе измерения, оказались практически свободными от всех этих

недостатков. Именно это обстоятельство и обеспечило их широкое применение в самых

различных отраслях промышленности.

В настоящее  время в радарных системах контроля уровня применяются

преимущественно две технологии: с непрерывным частотно-модулированным излучением

(FMCW— frequency modulated continuous wave) и импульсным излучением сигнала.

Технология FMCW еще с 30-х годов прошлого века широко применялась в

радиовысотомерах военных и гражданских самолетов. Она же после соответствующей

26

адаптации была использована в первых радарных уровнемерах фирмы SAAB. Эта

технология реализует косвенный метод измерения расстояния. Уровнемер излучает

микроволновый сигнал, частота которого изменяется непрерывно по линейному закону

между двумя значениями f1 и f2 (рис. 25). Отраженный от поверхности контролируемой

среды (жидкость, сыпучий материал и т.п.)

сигнал принимается той же антенной и

обрабатывается. Его частота сравнивается с

частотой сигнала, излучаемого в данный

момент времени. Значение разности частот

(fd) прямо пропорционально расстоянию до

поверхности (l). Принцип очень прост, но на

пути его практической реализации

существует множество технических и

технологических проблем. Одной из

важнейших, непосредственно влияющих на

точность измерения, является обеспечение

высокой линейности изменения частоты

сигнала и особенно ее температурной стабильности, поскольку уровнемеры, как правило,

предназначены для эксплуатации в очень широком температурном диапазоне.

Идеальными  для уровнемера FMCW являются условия, когда поверхность

контролируемой среды имеет достаточно большую площадь, на ней отсутствуют какие-

либо возмущения, а сам резервуар полностью свободен от каких-либо внутренних

конструктивных элементов. Однако реальные условия разительно отличаются от

идеальных и привносят дополнительные проблемы, связанные с образованием большого

числа паразитных эхо-сигналов от элементов конструкции, неровностей поверхности

(особенно  при контроле сыпучих материалов) и т.п. (рис. 26). Кроме того, приём  и

передача сигнала осуществляются одновременно. В результате на входе приёмника

уровнемера присутствует сложная смесь сигналов с очень большим разбросом по

амплитуде. Для выделения частот эхо-сигналов применяется алгоритм, основанный на

методе быстрого преобразования Фурье. Для его реализации требуются значительные

вычислительные ресурсы и относительно продолжительное время. Результатом

преобразования является частотный спектр принятого сигнала, в котором относительная

амплитуда каждой частотной составляющей (U) пропорциональна мощности конкретного

эхо-сигнала, а величина частотного сдвига пропорциональна расстоянию источника этого

эхо-сигнала от излучателя (рис. 27). Выделять полезный эхо-сигнал и игнорировать

остальные позволяет специальное программное обеспечение, установленное на сервисном

компьютере или встроенное в уровнемер. Главная проблема заключается в том, что

каждому эхо-сигналу в частотном спектре соответствует не одиночная частота, а интервал

частот, ограниченный некоторой огибающей. Это вносит дополнительную погрешность в

определение расстояния.

27

В радарах  импульсного типа используется метод  определения расстояния,

основанный на непосредственном измерении времени прохождения СВЧ - импульса от

излучателя до контролируемой поверхности и обратно. В результате для отраженного

сигнала применение процедуры быстрого преобразования Фурье не требуется. Однако

время прохождения сигналом дистанции в несколько метров составляет всего единицы

наносекунд. Поэтому для обеспечения измерения столь малых значений с требуемой

точностью все-таки требуется применение специальных методов обработки сигнала. Для

этого обычно используется преобразование СВЧ - сигнала в сигнал промежуточной

частоты ультразвукового диапазона. Так, например, в радарных уровнемерах фирмы

Endress+Hauser с  несущей частотой 6,3 ГГц промежуточная  частота равна 70 кГц, а

частота повторения импульсов с 3,6 МГц уменьшается до 44 Гц. После такого

преобразования к обработке сигналов радарного уровнемера могут быть легко применимы

методы и алгоритмы, используемые в ультразвуковых приборах контроля уровня.

Радарные  уровнемеры импульсного типа обладают рядом преимуществ перед

устройствами, использующими технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхо-

сигналы вне зависимости от природы их источника разнесены во времени, что

обеспечивает их более простое разделение. Во-вторых, среднее __________энергопотребление

импульсных уровнемеров составляет единицы мкВт (пиковая мощность при излучении

СВЧ-импульса составляет около 1 мВт), что позволяет  использовать для их подключения

двухпроводную схему с питанием от измерительной цепи со стандартным токовым

сигналом 4-20 мА; в приборах, работающих по технологии FMCW, энергопотребление

существенно выше из-за непрерывного характера излучения, а также постоянно

выполняемой математической обработки эхо-сигнала. И, в-третьих, в импульсных

уровнемерах электроника для выполнения первичной обработки сигнала проще, а сама

обработка выполняется исключительно аппаратными средствами; в результате благодаря

меньшему числу комплектующих надёжность прибора получается потенциально выше.

Одним из самых  важных элементов радарного уровнемера является его антенная

система. Именно от антенны зависит, какая часть излучённого сигнала достигнет

поверхности контролируемого материала и какая часть отражённого сигнала будет

принята и передана на вход электронного блока для последующей обработки.

В радарных системах контроля уровня преимущественно  используются антенны

пяти типов:

• рупорная;

• стержневая;

• трубчатая;

• параболическая;

• планарная.

Рупорная  и стержневая антенны (рис. 28) наиболее

широко используются в составе приборов, предназначенных

для контроля уровня в технологических установках.

Трубчатые антенны (рис. 29) применяются в тех случаях,

когда выполнение измерения посредством рупорной или

стержневой антенны связано с очень большими трудностями

или просто невозможно, например при наличии пены,

сильного испарения или высокой турбулентности

контролируемой жидкости. Параболические и планарные

антенны (рис. 30, 31) используются исключительно в составе

систем коммерческого учета нефтепродуктов.

При контроле уровня в закрытых емкостях, а это

наиболее частое применение радарных уровнемеров, антенна,

находясь внутри резервуара, подвергается воздействию всех

неблагоприятных факторов, которые там только могут присутствовать. К ним относятся и