Принцип работы и особенности применения рефлекс-радарных уровнемеров

Автор: Дмитрий Слесарев Время прочтения: 10 мин.

Рефлекс-радарные уровнемеры относятся к волноводным микроволновым приборам. В отличие от бесконтактных радарных уровнемеров, они используют направляющий волновод, по которому распространяется электромагнитный импульс. Такой принцип позволяет получать достоверные результаты в условиях, где на работу других методов могут влиять пар, конденсат, пена, запыленность, высокие температуры и давление.

Принцип работы рефлекс-радарного уровнемера

Конструктивно измеритель уровня состоит из электронного блока и направляющего волновода в виде стержня, троса или коаксиального зонда. Его тип и длина выбираются в зависимости от высоты резервуара, свойств измеряемой среды и условий эксплуатации.

Электронный блок формирует короткий микроволновый импульс высокой частоты и направляет его вдоль волновода. Благодаря тому, что электромагнитная энергия сосредоточена вдоль зонда, сигнал практически не рассеивается и сохраняет стабильную амплитуду по всей его длине.

При достижении поверхности контролируемого материала, где происходит изменение диэлектрической проницаемости, импульс отражается и возвращается к преобразователю. Чем больше различается диэлектрическая проницаемость двух сред, тем интенсивнее отраженный сигнал. Поэтому преобразователь надежно определяет границу «воздух – измеряемая среда», а также используется для контроля раздела двух несмешивающихся жидкостей.

Принцип распространения и отражения
микроволнового импульса вдоль волновода

Расстояние до поверхности определяется по времени прохождения импульса:

• L – расстояние до поверхности продукта;
• v – скорость распространения электромагнитной волны в волноводе;
• Δt – разность времени между отправкой и приемом отраженного импульса.

Деление на два учитывает, что сигнал проходит путь до поверхности продукта и обратно.

После определения расстояния электронный блок с учетом длины волновода и заданных параметров рассчитывает положение поверхности измеряемой среды и передает данные в систему управления по аналоговому или цифровому интерфейсу.

Измерение уровня жидкостей

Основная рабочая часть прибора – направляющий волновод (стержень, трос или коаксиальный зонд) – погружается в жидкость. По времени прохождения отраженного микроволнового импульса прибор определяет положение поверхности жидкости.

Поскольку отражение происходит на границе сред с различной диэлектрической проницаемостью, такие приборы позволяют контролировать большинство жидкостей, включая продукты с относительно низкой диэлектрической проницаемостью. При выборе прибора важно учитывать этот параметр, так как от него зависит интенсивность отраженного сигнала и надежность работы прибора.

Рефлекс-радарные уровнемеры сохраняют высокую точность при наличии пара, конденсата, пены, взвешенных частиц, а также при перепадах температуры и давления. Поскольку эти среды имеют низкую объемную диэлектрическую проницаемость, амплитуда отраженного от них микроволнового сигнала незначительна. Поэтому основное отражение формируется от поверхности продукта, что обеспечивает стабильную работу прибора.

Для различных условий эксплуатации выпускаются модели со стержневыми, тросовыми и коаксиальными зондами. Выбор конструкции зависит от высоты резервуара, характеристик жидкости и особенностей технологического процесса.

Измерение уровня сыпучих материалов

Принцип работы остается таким же, как и при работе с жидкостями. По времени прохождения отраженного сигнала прибор определяет степень заполнения силоса, бункера или другой технологической емкости.

При работе с сыпучими материалами особое значение имеют диэлектрическая проницаемость продукта, гранулометрический состав и состояние поверхности насыпи. Для материалов с низкой диэлектрической проницаемостью рекомендуется применять коаксиальный зонд, обеспечивающий устойчивое отражение сигнала.

Использование направляющего зонда уменьшает влияние внешних факторов на точность работы приборов. Они сохраняют работоспособность при высокой запыленности, перепадах температуры, повышенном давлении, наличии конденсата и вибрации оборудования, что позволяет использовать их в тяжелых промышленных условиях.

В зависимости от высоты емкости и свойств продукта применяются стержневые, тросовые или коаксиальные зонды. Тросовые исполнения чаще используют для высоких силосов и бункеров, тогда как стержневые и коаксиальные – для резервуаров небольшой глубины или продуктов с особыми физическими свойствами, такими как низкая диэлектрическая проницаемость, высокая запыленность и др.

Измерение уровня раздела фаз

В обычном режиме микроволновый импульс отражается от поверхности измеряемой среды и возвращается к преобразователю. При контроле уровня раздела фаз часть импульса отражается от поверхности верхнего слоя, а оставшаяся часть проходит через него и отражается от границы раздела двух сред.

Электронный блок анализирует время прихода обоих отраженных сигналов. После чего рассчитывает положение верхнего продукта и межфазной границы.

Для корректной работы прибора необходимо, чтобы верхний и нижний продукты имели различную диэлектрическую проницаемость. Чем больше различие этого параметра, тем надежнее фиксируется граница раздела фаз.

Особенности эксплуатации

Для получения достоверных результатов важно, чтобы измеряемая среда имела достаточную диэлектрическую проницаемость, обеспечивающую уверенное отражение микроволнового импульса. При работе с продуктами, имеющими низкое значение этого параметра, рекомендуется использовать коаксиальное исполнение зонда.

При работе с вязкими, липкими или кристаллизующимися продуктами возможно образование отложений на поверхности волновода. При значительном налипании это может привести к снижению качества отраженного сигнала и увеличению погрешности измерения, поэтому в таких условиях рекомендуется периодически контролировать состояние зонда и при необходимости выполнять его очистку.

При измерении уровня сыпучих материалов следует учитывать особенности формирования поверхности насыпи. Прибор определяет расстояние до участка поверхности, расположенного непосредственно под волноводом. Поэтому место установки измерителя уровня выбирают с учетом направления загрузки и выгрузки продукта.

Особенности выбора и монтажа

Выбор типа зонда зависит от условий эксплуатации и характеристик продукта:

• стержневой применяют для большинства жидкостей, а также сыпучих материалов небольшой высоты;
• тросовый используют в высоких резервуарах, силосах и бункерах с большим диапазоном измерения;
• коаксиальный рекомендуется для жидкостей с низкой диэлектрической проницаемостью, небольших узких емкостей с небольшим расстоянием от зонда до стенки емкости и процессов, где требуется максимальная устойчивость сигнала.

При выборе прибора необходимо учитывать диапазон измерения, температуру и давление процесса, химическую совместимость материалов волновода с измеряемой средой, а также диэлектрическую проницаемость среды. От ее значения зависят интенсивность отраженного сигнала и надежность измерения.

Не менее важен правильный монтаж. Рекомендуется устанавливать измеритель уровня таким образом, чтобы волновод не соприкасался с внутренними конструкциями резервуара, а место установки находилось вдали от патрубков подачи продукта, мешалок и других элементов, способных создавать ложные отражения сигнала.

При монтаже через патрубок его высота по возможности не должна превышать внутренний диаметр (h ≤ d), поскольку длинный патрубок может ослаблять микроволновый сигнал и ухудшать качество измерений. Также необходимо учитывать верхнюю и нижнюю неактивные зоны (мертвые зоны), в пределах которых корректное измерение уровня невозможно.

Рекомендации по монтажу рефлекс-радарного уровнемера

Заключение

Рефлекс-радарные уровнемеры обеспечивают непрерывный контроль жидкостей, сыпучих материалов и границы раздела фаз в различных технологических процессах. Для получения достоверных результатов необходимо правильно выбрать исполнение прибора, тип волновода и соблюдать рекомендации по монтажу.

Специалисты «РусАвтоматизации» помогут подобрать рефлекс-радарный уровнемер с учетом характеристик измеряемой среды и условий эксплуатации.

Скачать статью в формате PDF