Публикация пресс-релизов Поиск по компании
Решения, технологии, стандарты Рынок, отрасль, люди Основы
Отменить подписку Подписка
Производители Системные интеграторы Дистрибьюторы
Продукты месяца Поиск по категории Добавить продукт
Добавить мероприятие
Добавить вакансию Специалисты по АСУ ТП, КИП Специалисты по электротехнике, энергетике Главные инженеры, технологи, электрики Менеджеры по продажам, консультанты, другое
Технические требования Публикация статей Публикация пресс-релизов Media Kit 2014
Перейти:  
 


 

Основы АСУ ТП и КИП - в статьях Ua.Automation.com

Уровнемеры: от старых и испытанных методов к новым

Уровнемеры: от старых и испытанных методов к новым
Март 2013
 
Дональд Гиллам (Donald Gillum) для InTech 
  • Волноводные радарные уровнемеры (Guided Wave Radar) – высокоточные решения.
  • Гидростатические уровнемеры сохраняют свои позиции.
  • Емкостные и ультразвоковые системы менее эффективны по сравнению с волноводными радарными уровнемерам.
  • Пузырьковые уровнемеры уступают дорогу радарным уровнемерам.
Мало какие виды измерений могут похвастаться таким разнообразием отраслей применения и инструментов, как измерение уровня. У каждой из разновидностей уровнемеров есть свои преимущества и недостатки. Выбор наилучшей зависит от ряда обстоятельств, таких как природа процесса, в рамках которого необходимо проводить измерения уровня, требуемая точность, а также финансовые ограничения. Инженер КИПиА должен обладать общим представлением обо всех разновидностях уровнемеров – это позволит ему делать безошибочный выбор при проектировании систем автоматизации. Ниже – список используемых сегодня видов уровнемеров, различающихся по конструкции:
  • Визуальные
  • Гидростатические
  • Буйковые
  • Емкостные
  • Кондуктометрические
  • Ультразвуковые
  • Радарные
  • Волоконно-оптические
  • Магнитострикционные
  • Радиационные
  • Тепловые
  • Лазерные
  • Пополавковые
  • Ротационные и вибрационные
С учетом этого солидного списка типов устройств для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, выбор наилучшего варианта в каждом конкретном случа может быть непростой задачей – особенно для новичков или начинающих в области КИП. В статье описаны наиболее распространенные методы измерения уровня, особенно гидростатические и радарные.
 
Визуальное наблюдение
Самый простой метод, предполагающий использование смотровых окон в резервуарах, щупов, отвесов, или простое наблюдение за продуктом через прозрачный или полупрозрачный резервуар. Эти техники надежны, точны и просты в использовании, однако отсутствие возможностей по генерации и передаче соответствующего сигнала ограничичвают сферы их применения.
В определении автоматических уровнемеров для резервуаров, данном Американским институтом нефти, сказано, что это «устройство, которое автоматически измеряет и показывает уровень жидкости или незаполненной части объема в резервуаре или в нескольких резервуарах, непрерывно, периодически или по запросу».
 
Буйковые уровнемеры
Если вес объекта всегда больше, чем вес жидкости вытесненного объема, в которую он погружен, объект не будет плавать. Хотя объект (буек) никогда не плавает на поверхности жидкости, он занимает в ней определенную позицию, и когда уровень жидкости движется вдоль длины буйка, его вес меняется из-за изменения выталкивающей силы жидкости. Небольшое изменение в позиции буйка может быть измерено и использовано для генерации сигнала, соответствующего уровню жидкости.
 
Гидростатические уровнемеры
Многие техники измерения уровня основаны на использовании гидростатического давления. Эти измерения позволяют косвенно определить уровень жидкости, а калибровка в мерах длины делает конверсию ненужной. Уровнемеры с таким устройством используются в самых различных отраслях.
 
Когда уровень жидкости в резервуаре растет, сила гидростатического давления, воздействующего на преобразователь, также растет – соответственно, растет и его выходной сигнал. На основе выходного сигнала высчитывается уровень жидкости. Изменения в уровне атмосферного давления не влияют на измерения.
 
Необходимо учитывать плотность жидкости при установлении связи между уровнем и давлением. Если жидкость легче, давление оказываемое столбом жидкости, будет меньше. Более тяжелые жидкости оказывают большее давление.
 
Пузырьковые уровнемеры
Пузырьковая система обычно состоит из трубки, диаметром полдюйма или четверть дюйма, погруженной в жидкость. При отсутствии подачи воздуха, уровень воды в трубке равен уровню в резервуаре.  Когда давление воздуха, поступающего из регулятора в трубку, растет до уровня, на котором вода в трубке заменяется воздухом, давление воздуха в трубке оказывается равным гидростатическому давлению столба жидкости в трубке.
 
Обзор радарных измерителей
Функционирование микроволнового уровнемера проще всего описать с помощью схемы, в которой измерительный прибор и среда разделены на пять частей: микроволновой электронный модуль, антенна, атмосфера внутри резервуара, дополнительные датчики (преимущественно температурные), а также удаленный (или локальный) дисплей. Дисплейный модуль может также выполнять функции обработки данных – например, осуществлять расчет массы. В норме, преобразователь располагается в верхней части резервуара, и твердотельный излучатель генерирует электомагнитную волну заданной частоты, которая направляется вниз, к поверхности жидкости в резервуаре. Стандартная частота равна 10 ГГц. Сигнал излучается антеннами параболической, рожковой или других форм – в зависимости от сферы применения. Часть сигнала отражается обратно к антенне, которая принимает его и направляет в приемник. Затем, с помощью микропроцессора определяется время, затраченное волной на прохождении пути до поверхности жидкости и обратно к антенне. Зная скорость волны и время в пути, можно вычислить расстояние от передатчика до уровня жидкости.
 
Контактные и бесконтактные измерения
Бесконтактные радарные уровнемеры разделяются на импульсные и с модулированным сигналом FMCW (frequency modulated continuous wave). Импульсные радары испускают кратковременные импульсы, и расстояние измеряется на основе времени их распространения и возврата. Датчик FMCW испускает постоянный линейно частотно модулированный сигнал. Разница между частотами прямого и отраженного сигналов, вызванная задержкой во времени, позволяет определить расстояние, а значит и уровень жидкости.
 
Низкая мощность луча позволяет безопасно устанавливать такие радары в металлических и неметаллических резервуарах. Радарные уровнемеры можно использовать с легковоспаменяющимися средами.
 
Контактные радарные уровнемеры отправляют импульс вдоль зонда-волновода, и когда он достигает границы раздела сред, изменение в диэлектрической постоянной вызывает частичное отражение сигнала. Измеряется время прохождения сигнала и определяется уровень. Неотраженная часть сигнала доходит до конца зонда и дает сигнал для нулевой точки отсчета. Контактные радары можно использовать для жидкостей и мелкосыпучих материалов. Применение радарных уровнемеров зависит от отражающих свойств материала. У жидкостей хорошие отражающие свойства, а вот у твердых тел – далеко не всегда. При сильной концентрации пылевых частиц или других посторонних веществ, будет измерятся расстояние до них – а не до границы нужной среды.
 
Атмосфера в резервуаре
Сигнал радара отражается непосредственно от поверхности жидкости, что позволяет проводить точные измерения. Любая пыль или испарения не должны оказывать серьезного воздействия, так как диаметр таких частиц намного меньше, чем, к примеру, 3-сантиметровая длина волны радара. Для оптических систем с меньшей длиной волны это не так. Могут происходить несущественные ошибки в измерениях в связи с присутствием некоторых продуктов в паровоздушной зоне резервуара. Особенно часто это происходит, когда состояние колеблется между отсутствием испарений и полной насыщенностью испарениями. Для этих продуктов, необходимо также осуществлять измерения давления и температуры, используемых для компенсационных измерений. Эти компенсации осуществляются с помощью ПО, интегрированного в электронное оборудование резервуара.
 
Алгоритм «конец зонда»
Алгоритм «конец зонда» можно использовать с волноводными радарными уровнемерами, когда от продукта не возвращается отраженный сигнал. Электромагнитный импульс направляется вдоль зонда-водновода, служащего путем распространения импульса. Когда волна сталкивается с изменениями в окружающей волновод среде, происходит также изменение диэлектрической постоянной, и часть сигнала отражается обратно к источнику. Остальной сигнал доходит до конца зонда, и отражается уже там.
 
Рефлекс-радарные уровнемеры
Определение границы раздела между жидкими средами может осуществляться с помощью рефлекс-радарных уровнемеров, основанных на технологии time domain reflectometry(TDR). Они похожи на ипульсные радары, однако используют зонды, являющиеся, по сути, проводниками электромагнитных импульсов. Эта технология особенно хорошо подходит для опредления границы между средами, так как отличается слабым затуханием сигнала и меньшей зависимостью от формы резервуара.
 
Радарные измерения
Высокая устойчивость к практически любым внешним воздействиям радарных уровнемеров, делает их измерения очень точными. Радарная технология относительно недавно стала использоваться в обрабатывающих и промышленных отраслях, но уже завоевала популярность благодаря своим многочисленным преимуществам. Принцип отраженного сигнала используется и в ультразвуковых системах, однако у них и у радарных систем есть существенная разница. Основное отличие – звуковые волны, испускаемые ультразвуковыми уровнемерами, являются механическими. Поскольку механические волны требуют материальной среды, изменения в ней могут влиять на распространение волн. Изменения в среде приводят к изменению в скорости распространения в ней волн – что влияет на точность измерений. Другие факторы также могут влиять на сигнал – пыль, испарения, пена и т.д. Электромагнитным волнам радарных уровнемеров не нужна физическая среда для распространения, и они изначально устойчивы к воздействию факторов, «сбивающих с толку» акустические устройства.
 
Преимущества и другие характеристики радарных уровнемеров:
  • Иммунитет к материалам и состоянию паровоздушного пространства резервуаров
  • Иммунитет к препятствиям в резервуарах
  • Улучшенная точность и стабильность благодаря использованию встроенного интеллекта и специальных алгоритмов вычислений
  • Двухпроводные конструкции
  • Незначительное, легко компенсируемое воздействие температуры и давления
  • Иммунитет к ошибкам, вызываемым пеной
  • Относительная легкость установки и настройки
  • Диапазон измерения до 90 м
  • Используются с волноводами для определения границы между двумя жидкостями
  • Некоторые устройства обладают автономным питанием
  • Некоторые устройства обладают беспроводными интерфейсами
  • Широкое распространение в нефтехимической отрасли
  • Ограниченное распространение в пищевой и фармацевтической отраслях
 
Резюме
При выборе устройства для измерения уровня, обычно изучаются данные, предоставленные производителем или дистибьютором. Их бывает непросто использовать для сравнения реальных характеристик оборудования от различных производителей. Такие факторы, как расположение и монтаж прибора, разница в единицах измерениях, полнота описания, методы получения данных измерения – все их необходимо учитывать.
 
Особенности установки очень важны для бесконтактных методов измерения, и нижеследующие рекомендации нацелены на повышение качества работы уровнемеров:
  • Особенности среды могут оказывать негативное влияние на качество работы измерительных систем.
  • Необходимо избегать волнения на поверхности сред.
  • Налипание пыли и грязи на датчик может уменьшать силу переданного или отраженного сигнала.
  • Условия на поверхности жидкости, влияющие на отражаемость электромагнитных лучей, могут привести к ошибкам измерений. Радарные системы зависят от диэлектрической постоянной, которая должна быть больше 10. Уровень ниже 1,5 является препятствием для использования радарных уровнемеров.
  • Паровоздушное пространство должно быть прозрачным для переданного и отраженного луча. Если материалы в паровоздушной зоне резервуара будут полупрозрачными для излучения, это может повлиять на его мощность и скорость распространения.
  • Скорость ультразвуковой волны зависит от давления, температуры и состава пара. При изменении состояния пара необходимо вносить определенные компенсации – когда бы они ни происходили, во время запуска, отключения, или нормальной работы устройства, иначе это может привести к ошибкам измерения.
Геометрия резервуара и другие условия могут влиять на работу измерительных систем. Необходимо избегать формирования твердых частиц на пути луча. Паразитные отражения волн или случайные, вызванные конструктивными особенностями резервуаров, необходимо выделять и не учитывать при измерениях. Движущиеся части, такие как лопасти смесителя могут вызывать ложные отражения, влияющие на точность измерений. Смачиваемая часть датчика должна быть установлена перпендикулярно поверхности жидкости. Необходимо избегать формирования конденсата на датчике, а также избегать многократных отражений, вызванных геометрией резервуара – правильным монтажом и компенсацией ложных отражений.
 
Выбор технологии измерения зависит от конкретного сценария использования и отраслевых тенденций
 
На сегодня основная технология, используемая для измерения уровня в нефтехимической, химической, пищевой отраслях США, основана на преобразователях дифференциального давления.
 
По-прежнему используется большое количество буйковых уровнемеров.
 
Для сценариев, в которых меняется плотность жидкости в ходе технологического процесса, используются радарные уровнемеры, как обычные, так и с волноводами.
 
Измерения с помощью волноводных радарных уровнемеров достаточно точны и сертифицированы для использования со многими типами систем безопасности.
 
Ультразвуковые, емкостные уровнемеры, преобразователи дифференциального давления широко используются в различных отраслях, однако радарные уровнемеры различного типа начинают завоевывать все большую популярность. Первыми в очереди на замену стоят емкостные уровнемеры. Кроме того, активно заменяются пузырьковые уровнемеры.
 
Основные проблемы с волноводными радарными уровнемерами вызваны ошибками при запуске систем, препятствиями в резервуарах и другими причинами, вызывающими паразитные отражения.
 
Об авторе:
 
У Дональда Гиллама более 40 лет опыта работы на разных должностях, включая руководящую, на кафедре КИПиА в Texas State Technical College в Вако (Waco), Техас, США. Автор книги ISA, «Измерения давления, уровня и плотности в промышленности», второе издание. Степень бакалавра получена в University of Houston.