Приборы для измерения уровня

28

высокое давление, и высокая температура, и

агрессивные испарения, и пыль, и т.д. Безусловно,

конструкция антенны и материалы, используемые

для ее изготовления, должны __________всему этому успешно

противостоять. Кроме того, конструкция самих

резервуаров отличается огромным разнообразием и

потому способна создать массу проблем при

установке уровнемера. Вот почему у ведущих

мировых производителей радарных уровнемеров в

программе поставок имеется большое количество

вариантов исполнения оборудования, и особенно

антенных систем.

Электронный блок радарного уровнемера

составляет единое целое с антенной системой

вследствие особенностей используемого принципа

действия. Данный блок отвечает как за

формирование зондирующего сигнала, так и за

обработку принятого эхо-сигнала. Измерительная

информация (расстояние, уровень, объем и т.п.)

может либо просто отображаться на встроенном

индикаторе, либо выдаваться вовне с помощью

различных аналоговых и цифровых интерфейсов. В

простейшем случае применяется стандартная

токовая петля 4-20 мА с 2- или 3-проводной схемой

подключения. В последнее время в таких приборах

обычно имеется поддержка HART-протокола,

который используется, в частности, для удаленной настройки измерительной системы.

Для этой же цели производители оборудования предлагают специальные программные

продукты, функционирующие на сервисном компьютере и обеспечивающие в удобной и

наглядной форме настройку, калибровку и диагностику уровнемеров. Одной из

важнейших функций таких программ является построение профиля отраженного сигнала

по всей трассе измерения и отстройка от паразитных эхо-сигналов.

Вне зависимости  от используемого принципа в радарных уровнемерах

применяются СВЧ - сигналы с несущей частотой, лежащей в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц. К

сожалению, не существует какой-то одной оптимальной частоты для всех возможных

случаев применения радарных систем контроля уровня: любое преимущество в одном

случае может оказаться существенным недостатком в другом. С этой позиции и

рассмотрим особенности низкочастотных и высокочастотных радарных уровнемеров.

В высокочастотных  приборах антенна имеет меньшие  размеры и при равных

размерах с антенной низкочастотного прибора обеспечивает более узкую диаграмму

направленности. Это позволяет использовать для установки уровнемера отверстия в

резервуаре гораздо меньших размеров, что __________в некоторых случаях может иметь решающее

значение. Сравните: рупорная антенна радарного уровнемера диапазона 26 ГГц диаметром

40 мм имеет  диаграмму направленности приблизительно  такой же ширины, что и антенна

уровнемера диапазона 6 ГГц диаметром 150 мм. Более узкая диаграмма направленности

очень важна для получения эхо-сигнала с наименьшим числом паразитных отражений от

различных внутренних конструктивных элементов резервуара, таких как швы,

дефлекторы, мешалки и т.д. Для высокочастотных уровнемеров ситуация осложняется

тем, что из-за более короткой длины волны излучения паразитные эхо-сигналы будут

формироваться от более мелких объектов, которые для низкочастотных уровнемеров

будут просто незаметны.

По этой же причине высокочастотные уровнемеры более чувствительны к

29

наличию разного рода неровностей на контролируемой поверхности, которые вызывают

повышенное рассеивание зондирующего излучения и, как следствие, снижают уровень

полезного эхо-сигнала. Вот почему низкочастотные уровнемеры лучше приспособлены

для контроля уровня жидкостей с неспокойной поверхностью и сыпучих материалов.

Высокочастотные уровнемеры более чувствительны  к наличию конденсата и

отложениям материала на поверхности антенны, поскольку эти факторы вызывают более

сильное ослабление именно высокочастотного сигнала. Кроме того, одинаковый уровень

отложений или конденсата сильнее сказывается на эффективности работы антенн с

меньшими  размерами. В то же время, например, рупорная антенна диаметром 6 дюймов

для диапазона 5,8 ГГц практически нечувствительна к конденсату и гораздо более

устойчива к отложениям материала на ее поверхности.

Для контроля уровня при наличии высокого уровня пыли (цемент) или испарений

(паровой  котёл) низкочастотные уровнемеры  имеют преимущество благодаря  меньшему

ослаблению  сигнала, вызываемому указанными факторами.

Влияние пены на результат измерения определяется такими её параметрами, как

плотность, диэлектрическая проницаемость  и проводимость. Сухая пена достаточно легко

проницаема для СВЧ - излучения. В то же время, мокрая пена, присутствующая,

например, в  бродильных чанах, представляет для  него труднопреодолимое препятствие. В

общем же случае низкочастотные уровнемеры показывают лучшие результаты работы при

наличии пены на поверхности контролируемого вещества. Так, например, тонкий слой

пены моющего  средства на поверхности воды непреодолим для сигнала высокочастотного

уровнемера, в то время как уровнемер диапазона 5,8 ГГц позволяет производить

измерения при  толщине слоя пены до 150 мм и даже выше. Здесь следует иметь в  виду,

что толстый  слой пены способен вносить небольшую  дополнительную погрешность в

результат измерения  из-за различия скорости распространения  СВЧ - сигнала в воздушной

среде и пене.

Для высокочастотных  уровнемеров характерны гораздо  меньшие размеры зоны

нечувствительности  по сравнению с низкочастотными, поэтому они имеют

дополнительное  преимущество при использовании  в резервуарах и успокоительных

трубах небольшого размера.

Между радарными  уровнемерами импульсного типа и  уровнемерами,

использующими технологию FMCW, не существует принципиального различия по

достигаемой точности измерения.

Приборы, используемые для контроля уровня в технологических  установках,

обладают  точностью порядка нескольких миллиметров. Реально же достигаемая точность

измерения определяется и такими факторами, как конкретные условия применения, тип и

конструктивное  исполнение антенны, качество электронных  компонентов, возможности

программного  обеспечения обработки эхо-сигнала.

Существует  особый класс радарных уровнемеров, предназначенных для

использования в системах коммерческого учета  нефтепродуктов. Для этих приборов

гарантированная точность измерения должна быть не хуже +1 мм. Для ее обеспечения

предпринимается ряд специальных мер. В частности, используются антенны

параболического или планарного типа для получения  максимально узкой диаграммы

направленности  излучения, а в алгоритм обработки  эхо-сигнала дополнительно вводится

оценка фазы сигнала. Кроме того, несмотря на очень  малую зависимость от температуры

и давления, в результат измерения также  вводится поправка на изменение значения этих

параметров  в контролируемом резервуаре.

Благодаря своим  уникальным возможностям радарные уровнемеры,

использующие  микроволновый бесконтактный метод  измерения, способны обеспечить

достоверной информацией о контролируемом параметре в самых разнообразных условиях

применения. Безусловно, некоторым сдерживающим фактором является относительно

высокая стоимость  оборудования. Однако следует иметь  в виду, что при его

30

использовании доля эксплуатационных расходов в общей структуре затрат существенно

ниже по сравнению  с традиционными средствами измерения. Кроме того,

наблюдающийся значительный прогресс в этой области  техники в сочетании с жесткой

конкуренцией  между производителями неизбежно  ведет к постоянному снижению цен.

Поэтому будущее  радарных уровнемеров видится вполне оптимистичным.

Вместе с  тем нельзя рассматривать этот класс  оборудования как средство для

решения всех задач измерения уровня. Только учитывая особенности используемого

метода, грамотно осуществляя выбор конфигурации уровнемера, скрупулезно

прорабатывая  способ и место монтажа, а затем  также скрупулезно его осуществляя и,

наконец, тщательно  выполняя настройку всей системы, можно  получить ожидаемый

результат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Что касается представленных методов контроля уровня, то по данным ряда

источников  степень их распространения оценивается  в процентном отношении

приблизительно  следующими показателями: поплавковый — 24%, вибрационный — 21%,

гидростатический — 20%, кондуктометрический — 5%, ёмкостный— 15%, на основе

измерения времени  прохождения сигнала — 15%. Примечательно, что чаще приходится

измерять  уровень жидких материалов: 82% случаев  применения, а остальные 18%

приходятся  на сыпучие материалы; при этом в  последние годы нарастающими темпами

увеличивается доля использования методов измерения времени прохождения сигналов

(ультразвукового и направленного  микроволнового излучения).__