W dziedzinie pomiaru poziomu w automatyce przemysłowej, przetworniki radarowe poziomu stały się kluczowym wyposażeniem w branżach takich jak petrochemia, uzdatnianie wody, przemysł spożywczy i farmaceutyczny, dzięki swoim zaletom, takim jak bezkontaktowość, wysoka precyzja i duża adaptacyjność. Ich zasada działania (zasada działania radarowego przetwornika poziomu) jest kluczem do uzyskania dokładnych pomiarów.
Radarowy przetwornik poziomu to urządzenie do pomiaru poziomu oparte na technologii radarowej (fal elektromagnetycznych). Oblicza pozycję powierzchni cieczy poprzez nadawanie i odbieranie fal elektromagnetycznych, konwertuje sygnał wysokości poziomu cieczy na standardowe sygnały elektryczne (takie jak sygnały prądowe 4-20mA, sygnały cyfrowe RS485) i realizuje zdalną transmisję, monitorowanie w czasie rzeczywistym i automatyczną kontrolę danych o poziomie cieczy.
W porównaniu z tradycyjnym sprzętem do pomiaru poziomu (takim jak pływakowy, ultradźwiękowy), jego główne zalety polegają na tym, że nie podlega wpływowi czynników środowiskowych, takich jak gęstość medium, lepkość, pył i para. Może być dostosowany do trudnych warunków pracy w przemyśle, takich jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie i silna korozja, a jego dokładność pomiaru pozostaje stabilna przez długi czas.
Logika działania radarowego przetwornika poziomu opiera się na „transmisji fal elektromagnetycznych - odbiciu - odbiorze - obliczaniu sygnału”. Wnioskuje wysokość poziomu cieczy poprzez interakcję między falami elektromagnetycznymi a powierzchnią cieczy. Konkretny proces jest następujący:
Oscylator wysokiej częstotliwości wewnątrz urządzenia generuje fale elektromagnetyczne o określonej częstotliwości (zazwyczaj 6 GHz, 26 GHz). Fale elektromagnetyczne są kierunkowo transmitowane do powierzchni cieczy wewnątrz pojemnika przez dedykowaną antenę radarową (taką jak antena tubowa, antena prętowa).
- Kluczowy punkt techniczny: częstotliwość fal elektromagnetycznych bezpośrednio wpływa na wydajność pomiaru. Im wyższa częstotliwość, tym węższy kąt wiązki (kąt wiązki 26 GHz wynosi zwykle ≤3°), a także silniejsze skupienie sygnału, co jest odpowiednie dla pojemników o małym kalibrze lub złożonych warunków pracy. Niższe częstotliwości (takie jak 6 GHz) skutkują szerszym kątem wiązki (około 15°), co jest odpowiednie do pomiaru dużych zakresów dużych zbiorników magazynowych i ma silniejszą zdolność penetracji pyłu i pary.
Kiedy wiązka fal elektromagnetycznych dotyka powierzchni cieczy, ze względu na znaczną różnicę w stałej dielektrycznej między cieczą a powietrzem (stała dielektryczna cieczy jest generalnie ≥1,8, znacznie wyższa niż powietrza), większość fal elektromagnetycznych odbija się od powierzchni cieczy, tworząc „skuteczny sygnał echa”. Niewielka ilość fal elektromagnetycznych przeniknie przez powierzchnię cieczy lub zostanie pochłonięta przez medium, co ma pomijalny wpływ na wynik pomiaru.
- Założenie adaptacji: tak długo, jak stała dielektryczna cieczy spełnia ≥1,8, można utworzyć stabilne echo. Jeśli stała dielektryczna medium jest bardzo niska (np. niektóre lekkie oleje, skroplony gaz ziemny), można użyć falowodu w celu wzmocnienia efektu odbicia i zapewnienia siły sygnału echa.
Odbity sygnał echa powraca tą samą ścieżką i jest odbierany przez antenę radarową. Moduł przetwarzania sygnału (wyposażony w układy MCU i DSP) wewnątrz urządzenia wykonuje filtrowanie, wzmacnianie i przetwarzanie redukcji szumów na sygnale echa, eliminując sygnały zakłóceń, takie jak odbicie od ściany pojemnika, pył środowiskowy i wibracje urządzenia, i zachowując tylko skuteczne echo związane z powierzchnią cieczy, zapewniając precyzyjną podstawę danych do późniejszych obliczeń.
Obliczając „różnicę czasu (Δt) między czasem transmisji fal elektromagnetycznych a czasem odbioru echa” i łącząc ją z prędkością propagacji fal elektromagnetycznych w powietrzu (około 3×10⁸m/s w standardowych warunkach, co można kalibrować w czasie rzeczywistym w zależności od temperatury otoczenia i ciśnienia), moduł przetwarzania sygnału wnioskuje wysokość poziomu cieczy za pomocą wzoru:
Wysokość poziomu cieczy (H) = Całkowita wysokość pojemnika (H_total) - Odległość od anteny radarowej do powierzchni cieczy (d)
Wśród nich, d = (Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych × Δt) / 2 (podzielone przez 2, ponieważ fala elektromagnetyczna musi przemieszczać się tam i z powrotem między anteną a powierzchnią cieczy).
- Technologia specjalna: niektóre urządzenia wysokiej klasy wykorzystują technologię Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW). Przesyłając fale elektromagnetyczne o liniowo zmieniających się częstotliwościach, obliczają różnicę częstotliwości między falą nadawaną a echem i pośrednio wnioskują odległość. Jest to odpowiednie dla wysokiej precyzji (błąd ≤ ±0,05%) i pomiaru poziomu cieczy na duże odległości (zakres pomiaru do 70 m).
Po zakończeniu obliczeń urządzenie konwertuje sygnał wysokości poziomu cieczy na standardowe sygnały przemysłowe, takie jak 4-20mA, RS485 lub protokół HART, i przesyła go do systemów sterowania PLC, DCS lub instrumentów wyświetlających w celu realizacji monitorowania poziomu cieczy w czasie rzeczywistym, alarmu przekroczenia limitu lub automatycznego sterowania rozładunkiem cieczy/dopływem wody.
W oparciu o powyższą zasadę działania, radarowy przetwornik poziomu ma trzy podstawowe zalety techniczne, które mogą dokładnie spełniać potrzeby scenariuszy przemysłowych:
Ponieważ fale elektromagnetyczne nie muszą mieć bezpośredniego kontaktu z cieczą, nie ma fizycznego tarcia między urządzeniem a medium. Antena jest wykonana z materiałów antykorozyjnych (takich jak Hastelloy, powłoka PTFE) i jest wyposażona w konstrukcję uszczelniającą na poziomie IP67/IP68. Może wytrzymać maksymalne ciśnienie 60 MPa i zakres temperatur od -60℃ do 400℃ i nadaje się do warunków pracy silnej korozji, wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia. Żywotność urządzenia jest przedłużona do 5-8 lat (żywotność tradycyjnych urządzeń kontaktowych wynosi zwykle mniej niż 3 lata).
Propagacja fal elektromagnetycznych nie jest zależna od gęstości medium, lepkości ani koloru i może przenikać pył, parę i mgłę. Nawet w złożonych pojemnikach z mieszadłami i przegrodami, dzięki konstrukcji wąskiej wiązki lub algorytmom śledzenia echa, echo powierzchni cieczy może być nadal dokładnie zidentyfikowane, a stabilność pomiaru nie jest zależna od zmian środowiskowych.
Dzięki optymalizacjom, takim jak konstrukcja sygnału wysokiej częstotliwości, moduły kompensacji temperatury i ciśnienia oraz technologia FMCW, błąd pomiaru urządzenia można kontrolować w granicach ±0,1%, a zakres pomiaru obejmuje 0,1 m-70 m. Może być dostosowany do pomiaru poziomu/poziomu materiału cieczy i niektórych cząstek stałych (takich jak cząstki tworzyw sztucznych, pył węglowy), spełniając potrzeby wielu branż, takich jak petrochemia, uzdatnianie wody, przemysł spożywczy i farmaceutyczny oraz magazynowanie energii.
Obie metody są bezkontaktowe, ale ich podstawowe technologie są różne: Radarowe przetworniki poziomu oparte są na odbiciu fal elektromagnetycznych, niewrażliwe na pył, parę i temperaturę, z szerokim zakresem pomiaru (0,1 m-70 m) i odpowiednie do złożonych warunków pracy. Ultradźwiękowe mierniki poziomu oparte są na odbiciu fal dźwiękowych; fale dźwiękowe są łatwo tłumione przez pył i temperaturę, z wąskim zakresem pomiaru (0,2 m-10 m) i nadają się tylko do scenariuszy pomiaru cieczy, które są czyste i wolne od zakłóceń.
Należy wprowadzić optymalizacje z perspektywy adaptacji zasady działania: wybrać częstotliwość pasującą do warunków pracy (26 GHz dla złożonych warunków pracy), skalibrować prędkość propagacji fal elektromagnetycznych (kompensacja w czasie rzeczywistym w oparciu o temperaturę otoczenia i ciśnienie), upewnić się, że stała dielektryczna powierzchni cieczy spełnia wymagania (użyj falowodu dla mediów o niskiej stałej dielektrycznej) i regularnie czyścić antenę, aby uniknąć zakłóceń spowodowanych gromadzeniem się materiału, aby utrzymać precyzyjny pomiar.
W oparciu o ich zasadę działania, mogą być dostosowane do specjalnych warunków pracy, takich jak wysoka temperatura (≤400℃), wysokie ciśnienie (≤60 MPa), silna korozja (media kwasowo-zasadowe), wysoki pył (takie jak silosy cementowe, zbiorniki pyłu węglowego) i łatwe zamglenie (takie jak zbiorniki fermentacyjne do napojów). Ponadto nie wymagają częstej konserwacji i są preferowanym sprzętem do pomiaru poziomu cieczy w trudnych warunkach przemysłowych.
Zasada działania radarowego przetwornika poziomu koncentruje się na „interakcji fal elektromagnetycznych”. Poprzez precyzyjną transmisję, odbicie, odbiór i obliczenia, realizuje bezkontaktowy, precyzyjny i wysoce adaptowalny pomiar poziomu cieczy. Jego zalety techniczne wynikają z dogłębnego dostosowania do potrzeb scenariuszy przemysłowych. Niezależnie od tego, czy jest to zdolność przeciwzakłóceniowa w trudnych warunkach pracy, czy adaptacyjność pomiaru w szerokim zakresie, oba są napędzane optymalizacją i iteracją zasady działania. Wraz z modernizacją automatyki przemysłowej, radarowe przetworniki poziomu oparte na zaawansowanych zasadach działania będą nadal kluczowym wyposażeniem do pomiaru poziomu cieczy w różnych branżach, promując pomiary przemysłowe w kierunku „bardziej precyzyjnym, bardziej stabilnym i o niższych kosztach konserwacji”.
Informacje kontaktowe
Telefon: 15901050329
