|
|
Радарные системы контроля уровня Автор: Алексей Бармин. Существует множество самых различ ных методов контроля уровня, позволя ющих получать информацию как о пре дельных его значениях, так и о текущем значении. Гораздо меньшее число мето дов реализовано в промышленных сис темах. Некоторые из реализованных ме тодов 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 се бе и уникальность, и универсальность. В первую очередь, к ним можно отнести микроволновый бесконтактный метод, в просторечии небезосновательно име нуемый радарным. Этот метод, с одной стороны, обеспечивает минимальный контакт измерительного устройства с контролируемой средой, а с другой сто роны — практически полностью нечув ствителен к изменению её температуры и давления. Причем и температура, и давление могут иметь значения, недо пустимые для применения других мето дов, в первую очередь, контактных. Бе зусловно, уникальность возможностей не может не сказываться на цене прибо ров. Но прогресс в этой области на столько велик, а преимущества метода столь очевидны, что можно достаточно уверенно прогнозировать очень широ кое распространение радарных систем контроля уровня уже в самом недале ком будущем. ИСТОРИЯ Для многих слово «радар» прочно ас социируется с радиотехническим обо рудованием, используемым в системах контроля и управления движением морских, речных и воздушных судов, в первую очередь, военных. Автомобили стам это слово известно в связи с назва нием приборов, используемых для кон троля скорости движения автомобилей. При всех существующих различиях об щим остается принцип действия: излу чённый СВЧсигнал отражается от кон тролируемого объекта, принимается об ратно и соответствующим образом об рабатывается. Результатом обработки является значение того или иного пара метра объекта: дальность, скорость, на правление движения и т.д. О возможности использования ра диоволн для обнаружения удаленных объектов специалисты задумались еще на заре развития радиотехники. В 1897 году в ходе экспериментов на море А.С. Поповым было обнаружено явле ние отражения радиоволн от корпуса судна, пересекающего направление связи. В 1904 году немецкий инженер Христиан Хюльсмейер (Christian Hu .. lsmeyer) получил патент на устрой ство, названное им телемобилоскоп, в котором эффект отражения радиоволн использовался для обнаружения ко раблей. Хюльсмейер предлагал приме нить радиопередатчик, вращающиеся антенны направленного действия, ра диоприемник со световым или звуко вым индикатором, воспринимающий отраженные предметами волны. При всём своём несовершенстве устройство Хюльсмейера содержало в себе основ ные элементы современного локатора. Однако изза несовершенства конст рукции разработки Хюльсмейера прак тического применения не получили. Понадобилось тридцать лет, прежде чем идея применения радиоволн для обнаружения самолетов и кораблей смогла быть претворена в реальную ап паратуру. В 1936 го ду в Англии были развернуты радио локационные сис темы военного на значения, которые в годы Второй ми ровой войны ис пользовались для раннего преду преждения о воз душных налетах не мецкой авиации. И, безусловно, ис пользование радио Рис. 1. Принцип измерения расстояния (l) с использованием локационной тех технологии FMCW 60 www.cta.ru нологии в военных целях стало силь нейшим толчком для её развития. Первые военные радиолокационные системы были строго засекречены, и поэтому для их обозначения использо вались различные кодовые наименова ния. Прижилось и стало общеприня тым сокращение, использовавшееся американцами, — RADAR (RAdio De tection And Ranging). Вошло это слово и в русский язык, став нарицательным для обозначения всех типов устройств, использующих подобный принцип действия. Войны, к счастью, рано или поздно заканчиваются. Военные технологии постепенно внедряются в мирную жизнь. Радиолокаторы широко исполь зуются в метеорологии, в космических исследованиях для дистанционного зондирования планет и т.д. И вот в 1976 году фирма SAAB первой в мире при меняет радарную технологию для кон троля уровня сырой нефти, перевози мой супертанкерами. К тому моменту для подобной цели широко использо вались поплавковые, буйковые и диф манометрические (разновидность гид ростатических) измерительные систе мы, основной недостаток которых за ключался в большой зависимости точ ности измерения от таких физических параметров контролируемой среды, как температура, давление и плотность. Кроме того, для этих систем требова СТА 4/2002 лось довольно частое техническое об служивание этих систем, связанное с необходимостью удаления различного рода отложений и загрязнений, по скольку все перечисленные системы являются контактными по своей при роде. Уровнемеры же, основанные на радарном методе измерения, оказались практически свободными от всех этих недостатков. Именно это обстоятельст во и обеспечило их широкое примене ние в самых различных отраслях про мышленности. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ В настоящее время в радарных систе мах контроля уровня применяются преимущественно две технологии: с непрерывным частотномодулирован ным излучением (FMCW — frequency modulated continuous wave) и импульс ным излучением сигнала [1]. Технология FMCW еще с 30х годов прошлого века широко применялась в радиовысотомерах военных и граждан ских самолетов. Она же после соответ ствующей адаптации была использова на в первых радарных уровнемерах фирмы SAAB. Эта технология реализу ет косвенный метод измерения рассто яния. Уровнемер излучает микроволно вый сигнал, частота которого изменя ется непрерывно по линейному закону между двумя значениями f1 и f2 (рис. 1). Отраженный от поверхности контроли руемой среды (жидкость, сыпучий ма териал и т.п.) сигнал принимается той же антенной и обрабатывается. Его ча стота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный момент времени. Значение разности частот (fd) прямо пропорционально расстоянию до по верхности (l). Принцип очень прост, но на пути его практической реализации существует множество технических и технологических проблем. Одной из важнейших, непосредственно влияю Рис. 2. Паразитные отражения при использовании технологии FMCW СТА 4/2002 щих на точность измерения, является обеспечение высокой линейности из менения частоты сигнала и особенно ее температурной стабильности, посколь ку уровнемеры, как правило, предна значены для эксплуатации в очень ши роком температурном диапазоне. Идеальными для уровнемера FMCW являются условия, когда поверхность контролируемой среды имеет достаточ но большую площадь, на ней отсутству ют какиелибо возмущения, а сам ре зервуар полностью свободен от каких либо внутренних конструктивных эле ментов. Однако реальные условия ра зительно отличаются от идеальных и привносят дополнительные проблемы, связанные с образованием большого числа паразитных эхосигналов от эле ментов конструкции, неровностей по верхности (особенно при контроле сы пучих материалов) и т.п. (рис. 2). Кроме того, приём и передача сигнала осуще ствляются одновременно. В результате на входе приёмника уровнемера при сутствует сложная смесь сигналов с очень большим разбросом по амплиту де. Для выделения частот эхосигналов применяется алгоритм, основанный на методе быстрого преобразования Фу рье. Для его реализации требуются зна чительные вычислительные ресурсы и относительно продолжительное время. Результатом преобразования является частотный спектр принятого сигнала, в котором относительная амплитуда каждой частотной составляющей (U) пропорциональна мощности конкрет ного эхосигнала, а величина частотно го сдвига пропорциональна расстоя нию источника этого эхосигнала от излучателя (рис. 3). Выделять полезный эхосигнал и игнорировать остальные позволяет специальное программное обеспечение, установленное на сервис ном компьютере или встроенное в уровнемер. Главная проблема заключа Рис. 3. Частотный спектр эхосигнала В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА ется в том, что каждому эхосигналу в частотном спектре соответствует не одиночная частота, а интервал частот, ограниченный некоторой огибающей. Это вносит дополнительную погреш ность в определение расстояния. В радарах импульсного типа использу ется метод определения расстояния, ос нованный на непосредственном измере нии времени прохождения СВЧим пульса от излучателя до контролируе мой поверхности и обратно. В результа те для отраженного сигнала примене ние процедуры быстрого преобразова ния Фурье не требуется. Однако время прохождения сигналом дистанции в несколько метров составляет всего еди ницы наносекунд. Поэтому для обеспе чения измерения столь малых значений с требуемой точностью всетаки требу ется применение специальных методов обработки сигнала. Для этого обычно используется преобразование СВЧ сигнала в сигнал промежуточной час тоты ультразвукового диапазона. Так, например, в радарных уровнемерах фирмы Endress+Hauser с несущей час тотой 6,3 ГГц промежуточная частота равна 70 кГц, а частота повторения им пульсов с 3,6 МГц уменьшается до 44 Гц [2]. После такого преобразования к об работке сигналов радарного уровнеме ра могут быть легко применимы мето ды и алгоритмы, используемые в ульт развуковых приборах контроля уровня. Радарные уровнемеры импульсного типа обладают рядом преимуществ пе ред устройствами, использующими тех нологию FMCW. Вопервых, принима емые эхосигналы вне зависимости от природы их источника разнесены во времени, что обеспечивает их более простое разделение. Вовторых, среднее энергопотребление импульсных уров немеров составляет единицы мкВт (пи ковая мощность при излучении СВЧимпульса составляет около 1 мВт), 61 www.cta.ru В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА излучения, а также постоянно выпол няемой математической обработки эхо сигнала. И втретьих, в импульсных уровнемерах электроника для выполне ния первичной обработки сигнала про ще, а сама обработка выполняется ис ключительно аппаратными средствами; в результате благодаря меньшему числу комплектующих надёжность прибора получается потенциально выше. Рис. 4. Радарные уровнемеры Siemens Milltronics с рупорной и стержневой КОНСТРУКЦИЯ Одним из самых важных элементов радарного уровнемера является его ан тенная система. Именно от антенны зависит, какая часть излучённого сиг нала достигнет поверхности контроли руемого материала и какая часть отра жённого сигнала будет принята и пере дана на вход электронного блока для последующей обработки. В радарных системах контроля уров ня преимущественно используются ан тенны пяти типов: . рупорная; . стержневая; . трубчатая; . параболическая; . планарная. Рупорная и стержневая антенны (рис. 4) наиболее широко используют антеннами что позволяет использовать для их под ключения двухпроводную схему с пита нием от измерительной цепи со стан дартным токовым сигналом 420 мА; в приборах, работающих по технологии FMCW, энергопотребление существен но выше изза непрерывного характера 62 www.cta.ru ся в составе приборов, предназначен ных для контроля уровня в технологи ческих установках. Трубчатые антенны (рис. 5) применяются в тех случаях, когда выполнение измерения посред ством рупорной или стержневой ан тенны связано с очень большими труд ностями или просто невозможно, на пример при наличии пены, сильного испарения или высокой турбулентнос ти контролируемой жидкости. Парабо лические и планарные антенны (рис. 6, 7) используются исключитель но в составе систем коммерческого учета нефтепродуктов. При контроле уровня в закрытых ем костях, а это наиболее частое примене ние радарных уровнемеров, антенна, находясь внутри резервуара, подверга ется воздействию всех неблагоприят ных факторов, которые там только мо гут присутствовать. К ним относятся и высокое давление, и высокая темпера тура, и агрессивные испарения, и пыль, и т.д. Безусловно, конструкция антен ны и материалы, используемые для ее изготовления, должны всему этому ус пешно противостоять. Кроме того, конструкция самих резервуаров отли чается огромным разнообразием и по тому способна создать массу проблем СТА 4/2002 Рис. 6. Радарный уровнемер Endress+Hauser с параболической антенной Рис. 7. Радарный уровнемер Endress+Hauser с планарной Рис. 5. Радарный уровнемер Siemens Milltronics с трубчатой антенной антенной при установке уровнемера. Вот почему у ведущих мировых производителей ра дарных уровнемеров в программе по ставок имеется большое количество ва риантов исполнения оборудования, и особенно антенных систем. Электронный блок радарного уровне мера составляет единое целое с антен ной системой вследствие особенностей используемого принципа действия. Данный блок отвечает как за формиро вание зондирующего сигнала, так и за обработку принятого эхосигнала. Из мерительная информация (расстояние, уровень, объем и т.п.) может либо про сто отображаться на встроенном инди каторе, либо выдаваться вовне с помо щью различных аналоговых и цифро вых интерфейсов. В простейшем случае применяется стандартная токовая петля 420 мА с 2 или 3проводной схемой подключения. В последнее время в та ких приборах обычно имеется под держка HARTпротокола, который ис пользуется, в частности, для удаленной настройки измерительной системы. Для этой же цели производители обору дования предлагают специальные про граммные продукты, функционирую щие на сервисном компьютере и обес СТА 4/2002 печивающие в удобной и нагляд ной форме настройку, калибров ку и диагностику уровнемеров. Одной из важнейших функций таких программ является пост роение профиля отраженного сигнала по всей трассе измере ния и отстройка от паразитных эхосигналов. На рис. 8 в качест ве примера приведена экранная форма программы Dolphin Plus фирмы Siemens Milltronics, ил люстрирующая этот процесс. ОГРАНИЧЕНИЯ Вне зависимости от используе мого принципа в радарных уров немерах применяются СВЧсиг налы с несущей частотой, лежа щей в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц. К сожалению, не существует ка който одной оптимальной часто ты для всех возможных случаев применения радарных систем контроля уровня: любое преиму щество в одном случае может ока заться существенным недостат ком в другом. С этой позиции и рассмотрим особенности низко частотных и высокочастотных ра дарных уровнемеров. В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Антенная система В высокочастотных приборах ан тенна имеет меньшие размеры и при равных размерах с антенной низкоча стотного прибора обеспечивает более узкую диаграмму направленности. Это позволяет использовать для уста новки уровнемера отверстия в резер вуаре гораздо меньших размеров, что в некоторых случаях может иметь ре шающее значение. Сравните: рупор ная 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 эхосигнала с наименьшим числом паразитных от ражений от различных внутренних конструктивных элементов резервуа ра, таких как швы, дефлекторы, ме шалки и т.д. Для высокочастотных уровнемеров ситуация осложняется тем, что изза более короткой длины волны излучения паразитные эхо сигналы будут формироваться от бо лее мелких объектов, которые для низкочастотных уровнемеров будут просто незаметны. 63 www.cta.ru В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Контролируемая среда По этой же причине высокочастот ные урoвнемеры более чувствительны к наличию разного рода неровностей на контролируемой поверхности, которые вызывают повышенное рассеивание зондирующего излучения и, как следст вие, снижают уровень полезного эхо сигнала. Вот почему низкочастотные уровнемеры лучше приспособлены для контроля уровня жидкостей с неспо койной поверхностью и сыпучих мате риалов. Конденсат и отложения материала Высокочастотные уровнемеры более чувствительны к наличию конденсата и отложениям материала на поверхности антенны, поскольку эти факторы вызы вают более сильное ослабление именно высокочастотного сигнала. Кроме того, одинаковый уровень отложений или конденсата сильнее сказывается на эф фективности работы антенн с меньши ми размерами. В то же время, например, рупорная антенна диаметром 6 дюймов для диапазона 5,8 ГГц практически не чувствительна к конденсату и гораздо более устойчива к отложениям материа ла на ее поверхности. Испарения и запылённость Для контроля уровня при наличии высокого уровня пыли (цемент) или испарений (паровой котёл) низкочас тотные уровнемеры имеют преимуще ство благодаря меньшему ослаблению сигнала, вызываемому указанными факторами. Пена Влияние пены на результат измере ния определяется такими её парамет рами, как плотность, диэлектричес кая проницаемость и проводимость. Сухая пена достаточно легко прони цаема для СВЧизлучения. В то же время, мокрая пена, присутствующая, например, в бродильных чанах, пред ставляет для него труднопреодолимое препятствие. В общем же случае низ кочастотные уровнемеры показывают лучшие результаты работы при нали чии пены на поверхности контроли руемого вещества. Так, например, тонкий слой пены моющего средства на поверхности воды непреодолим для сигнала высокочастотного уров немера, в то время как уровнемер ди апазона 5,8 ГГц позволяет произво дить измерения при толщине слоя пе 64 www.cta.ru Рис. 8. Экранная форма программы Dolphin Plus ны до 150 мм и даже выше. Здесь сле дует иметь в виду, что толстый слой пены способен вносить небольшую дополнительную погрешность в ре зультат измерения изза различия скорости распространения СВЧсиг нала в воздушной среде и пене. Зона нечувствительности Для высокочастотных уровнемеров характерны гораздо меньшие размеры зоны нечувствительности по сравнению с низкочастотными, поэтому они име ют дополнительное преимущество при использовании в резервуарах и успоко ительных трубах небольшого размера. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ Между радарными уровнемерами импульсного типа и уровнемерами, ис пользующими технологию FMCW, не существует принципиального различия по достигаемой точности измерения. Приборы, используемые для контро ля уровня в технологических установ ках, обладают точностью порядка не скольких миллиметров. Реально же до стигаемая точность измерения опреде ляется и такими факторами, как кон кретные условия применения, тип и конструктивное исполнение антенны, качество электронных компонентов, возможности программного обеспече ния обработки эхосигнала. Существует особый класс радарных уровнемеров, предназначенных для ис пользования в системах коммерческого учета нефтепродуктов. Для этих прибо ров гарантированная точность измере ния должна быть не хуже ±1 мм. Для ее обеспечения предпринимается ряд спе циальных мер. В частности, использу ются антенны параболического или планарного типа для получения макси мально узкой диаграммы направленно сти излучения, а в алгоритм обработки эхосигнала дополнительно вводится оценка фазы сигнала. Кроме того, не смотря на очень малую зависимость от температуры и давления, в результат измерения также вводится поправка на изменение значения этих параметров в контролируемом резервуаре. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Благодаря своим уникальным воз можностям радарные уровнемеры, ис пользующие микроволновый бескон тактный метод измерения, способны обеспечить достоверной информацией о контролируемом параметре в самых разнообразных условиях применения. Безусловно, некоторым сдерживаю щим фактором является относительно высокая стоимость оборудования. Од нако следует иметь в виду, что при его использовании доля эксплуатационных расходов в общей структуре затрат су щественно ниже по сравнению с тради ционными средствами измерения. Кроме того, наблюдающийся значи тельный прогресс в этой области техни ки в сочетании с жесткой конкуренци ей между производителями неизбежно ведет к постоянному снижению цен. Поэтому будущее радарных уровнеме ров 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 осу ществляя выбор конфигурации уров немера, скрупулезно прорабатывая способ и место монтажа, а затем также скрупулезно его осуществляя и, нако нец, тщательно выполняя настройку всей системы, можно получить ожида емый результат. . ЛИТЕРАТУРА 1. Devine P. Radar level measurement — the user’s guide.
— Burgess Hill: VEGA Cont rols, 2000. |
|
| |
|