Радиоволновые, радарные уровнемеры. Устройство, принцип действия, типы и виды радарных уровнемеров.

Перспективным методом измерения уровня является радиоволновой метод. Радиоволновыми (радарными)называются уровнемеры, основанные на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости.

К радиоволновым методам относятся радиолокационный, радиоинтерферационный, эндовибраторный и резонансный.

Работа радиолокационных (радарных) уровнемеров основывается на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами.

Скорость распространения электромагнитной волны в среде определяется значениями ее диэлектрической е и магнитной р проницаемостей:

V = с/ ✓εμ ,где с — скорость света в вакууме.

Схема радарного уровнемера (рис. 1) состоит из излучателя 1, приемника электромагнитной энергии 2 и преобразователя 3 измерения интервала времени.

Рис. 1. Схема радиолокационного (радарного) уровнемера:

1 — излучатель; 2 — приемник электромагнитной энергии; 3 — преобразователь измерения интервала времени

Уровень h определяется измерением временного интервала между моментом посылки сигнала излучателем 1 и приходом отраженного сигнала на приемник 2. Эти величины связаны соотношением:

τ = 2(Н-h)✓εμ/c

Обычно локация ведется через газовую среду над жидкостью (в принципе локация может осуществляться и через жидкость, если она неэлектропроводная). Локация через газ предпочтительнее, так как излучатели не подвергаются воздействию жидкости. Кроме того, магнитные и диэлектрические проницаемости газов невелики и практически не зависят от изменения параметров и свойств газа. Это делает показания уровнемера практически не зависящими от свойств жидкости. Недостатком таких уровнемеров является трудность точного измерения малых интервалов времени. Они чувствительны к нахождению в зоне излучения посторонних предметов, например металлических стенок емкостей. Для устранения этого недостатка необходимо применить узконаправленное излучение с помощью рупорных антенн.?

Существуют схемы радиолокационных (радарных) уровнемеров, в которых локация осуществляется через стенку рабочей емкости. Применительно к металлургическому производству таким образом можно контролировать границу раздела шлак — металл либо осуществлять непрерывное измерение уровня (существующие приборы имеют диапазон измерения до 200 мм).

Схема такого прибора представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема радиолокационного (радарного) уровнемера для контроля уровни жидких металлов:

1 — генератор; 2 — рупор; 3 — детектор; 4 — вторичный преобразователь; 5 — стенка; 6 — футеровочный материал

В качестве излучателя радиоволн, генерируемых генератором 1, используется рупор 2, высота раскрытия которого равна диапазону измерения. Изменение уровня среды по высоте рупора приводит к изменению прошедшей и отраженной высокочастотной энергии, вследствие чего изменяется сигнал на детекторе 3 и вторичном преобразователе 4. Для использования этого метода измерения в металлические стенки 5 вставляются рупорные излучатели 2. Внутренний футерованный материал 6 является радиопрозрачным.

Радарные уровнемеры SITRANS LR 300 (фирма Siemens) используют микроволновую импульсную технологию. Они оснащены рупорными или стержневыми антеннами, работающими на частоте 5,8 ГГц. Уровнемеры могут измерять высоту уровня жидких и сыпучих сред в диапазоне до 20 м с погрешностью ±0,15 %. При выходном сигнале 4...20 мА уровнемер может иметь и цифровой в соответствии с протоколами Modbus, HART и Profibus-PA.

 В резонансных уровнемерах резонансные колебания возбуждаются в отрезках длинной электрической линии. Этот отрезок длинной линии — первичный преобразователь — либо выполняется в виде отдельного конструктивного элемента, помещенного в резервуар, либо его роль могут выполнять конструктивные элементы технологической установки (например, при измерении уровня жидких металлов в металлургии).

Обычно первичный преобразователь представляет собой тонкостенную металлическую трубу с боковыми отверстиями и соосно расположенным в ней металлическим стержнем (рис. 3).

Рис. 3. Схема преобразователя резонансного уровнемера

Применение резонансных уровнемеров при измерении уровня проводящих жидкостей основывается на шунтировании элементов преобразователя, т.е. уровень эквивалентен подвижной перемычке между трубой и стержнем преобразователя. При изменении уровня изменяется длина линии, что ведет к изменению резонансной частоты преобразователя. Например, при заполнении преобразователя уменьшается его длина и увеличивается резонансная частота. Эта зависимость является нелинейной.

Применительно к конкретным условиям работы могут использоваться преобразователи других конструкций. Например, для кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок большого сечения (не менее 250x550 мм) преобразователь подобен изображенному на рис. 3, но на конце его вместо металлического донышка закреплен виток проволочного проводника. Преобразователь закрепляется таким образом, чтобы виток находился над уровнем металла, при этом его индуктивность будет зависеть от уровня металла. Резонансная частота такой электрической линии с индуктивностью на конце зависит от этой индуктивности, т.е. от уровня металла. Такие уровнемеры жидких металлов имеют диапазон измерения до 200 мм, основная погрешность измерения ± 2 %.

 Для кристаллизаторов малого сечения (с максимальным поперечным размером сечения 150 мм) применение преобразователя с индуктивной нагрузкой неэффективно, так как при уменьшении размеров витка уменьшается диапазон измерения. Для таких кристаллизаторов разработан уровнемер (рис. 4), в котором система «металл промежуточного ковша 1 — струя металла 2 — металл кристаллизатора 3» рассматривается как измерительный отрезок длинной электрической линии, длина которого, а следовательно, и резонансная частота определяются уровнем металла в кристаллизаторе.

Рис. 4. Схема резонансного уровнемера для машин непрерывного литья заготовок малых диаметров: 1 — промежуточный ковш; 2 — трубка; 5 — кристаллизатор; 4 — металлическое кольцо; 5 — высокочастотный генератор?

Подвод энергии к колебательной системе может быть осуществлен, например, посредством металлического кольца 4, установленного между ковшом и кристаллизатором на одной оси со струей металла и подключенного к высокочастотному генератору 5. Диапазон измерения такого уровнемера составляет 300 мм.

Резонансный метод измерения использован в уровнемерах для криогенных сред типа УРК-1. Здесь в качестве чувствительного элемента используется отрезок волновода, информационным параметром является его резонансная частота, функционально связанная с контролируемым уровнем. Электронная схема прибора содержит генератор электрических колебаний, частота которых непрерывно поддерживается равной резонансной частоте волновода. Она измеряется частотомером и преобразуется в выходной сигнал.