В области измерения уровня в промышленной автоматизации радарные уровнемеры стали основным оборудованием в таких отраслях, как нефтехимия, водоочистка, пищевая промышленность и фармацевтика, благодаря своим бесконтактным, высокоточным и адаптируемым преимуществам. Их рабочий принцип (принцип работы радарного уровнемера) является ключом к достижению точных измерений.
Радарный уровнемер - это устройство для измерения уровня, основанное на технологии радара (электромагнитных волн). Он вычисляет положение поверхности жидкости, передавая и принимая электромагнитные волны, преобразует сигнал высоты уровня жидкости в промышленные стандартные электрические сигналы (например, токовые сигналы 4-20 мА, цифровые сигналы RS485) и реализует дистанционную передачу, мониторинг в реальном времени и автоматическое управление данными об уровне жидкости.
По сравнению с традиционным оборудованием для измерения уровня (например, поплавковым, ультразвуковым), его основные преимущества заключаются в том, что он не подвержен влиянию таких факторов окружающей среды, как плотность среды, вязкость, пыль и пар. Он может быть адаптирован к суровым промышленным условиям эксплуатации, таким как высокая температура, высокое давление и сильная коррозия, а его точность измерений остается стабильной в течение длительного времени.
Рабочая логика радарного уровнемера вращается вокруг «передачи электромагнитных волн - отражения - приема - расчета сигнала». Он определяет высоту уровня жидкости посредством взаимодействия между электромагнитными волнами и поверхностью жидкости. Конкретный процесс выглядит следующим образом:
Высокочастотный генератор внутри устройства генерирует электромагнитные волны определенной частоты (обычно 6 ГГц, 26 ГГц). Эти электромагнитные волны направленно передаются на поверхность жидкости внутри контейнера через специальную радарную антенну (например, рупорную антенну, стержневую антенну).
- Технический ключевой момент: частота электромагнитных волн напрямую влияет на характеристики измерений. Чем выше частота, тем меньше угол луча (угол луча 26 ГГц обычно составляет ≤3°), и тем сильнее фокусировка сигнала, что подходит для контейнеров малого калибра или сложных условий работы. Более низкие частоты (например, 6 ГГц) приводят к большему углу луча (около 15°), что подходит для измерения больших диапазонов больших резервуаров для хранения и обладает большей способностью проникать через пыль и пар.
Когда луч электромагнитной волны касается поверхности жидкости, из-за значительной разницы в диэлектрической проницаемости между жидкостью и воздухом (диэлектрическая проницаемость жидкости обычно ≥1,8, что намного выше, чем у воздуха), большая часть электромагнитных волн отражается поверхностью жидкости, образуя «эффективный эхо-сигнал». Небольшое количество электромагнитных волн проникнет через поверхность жидкости или будет поглощено средой, что оказывает незначительное влияние на результат измерения.
- Предпосылка адаптации: пока диэлектрическая проницаемость жидкости соответствует ≥1,8, может быть сформировано стабильное эхо. Если диэлектрическая проницаемость среды чрезвычайно низка (например, некоторые легкие масла, сжиженный природный газ), для усиления эффекта отражения и обеспечения силы эхо-сигнала можно использовать волновод.
Отраженный эхо-сигнал возвращается по исходному пути и принимается радарной антенной. Модуль обработки сигнала (оснащенный микроконтроллером и микросхемами DSP) внутри устройства выполняет фильтрацию, усиление и шумоподавление эхо-сигнала, устраняя помехи, такие как отражение от стенок контейнера, пыль окружающей среды и вибрация оборудования, и сохраняя только эффективное эхо, связанное с поверхностью жидкости, обеспечивая точную основу данных для последующих расчетов.
Вычисляя «разницу во времени (Δt) между временем передачи электромагнитных волн и временем приема эха» и объединяя ее со скоростью распространения электромагнитных волн в воздухе (около 3×10⁸ м/с в стандартных условиях, которая может быть откалибрована в реальном времени в соответствии с температурой и давлением окружающей среды), модуль обработки сигнала определяет высоту уровня жидкости по формуле:
Высота уровня жидкости (H) = Общая высота контейнера (H_total) - Расстояние от радарной антенны до поверхности жидкости (d)
Среди них, d = (Скорость распространения электромагнитных волн × Δt) / 2 (делится на 2, потому что электромагнитная волна должна перемещаться туда и обратно между антенной и поверхностью жидкости).
- Специальная технология: некоторые устройства высокого класса используют технологию частотно-модулированной непрерывной волны (FMCW). Передавая электромагнитные волны с линейно изменяющимися частотами, они вычисляют разницу частот между передаваемой волной и эхом и косвенно определяют расстояние. Это подходит для высокоточных (погрешность ≤ ±0,05%) и дальних (диапазон измерения до 70 м) сценариев измерения уровня жидкости.
После завершения расчета устройство преобразует сигнал высоты уровня жидкости в промышленные стандартные сигналы, такие как 4-20 мА, RS485 или протокол HART, и передает его в системы управления ПЛК, DCS или отображающие приборы для реализации мониторинга уровня жидкости в реальном времени, сигнализации о превышении пределов или автоматического управления сливом/подачей воды.
Основываясь на вышеуказанном принципе работы, радарный уровнемер имеет три основных технических преимущества, которые могут точно удовлетворить потребности промышленных сценариев:
Поскольку электромагнитные волны не должны находиться в прямом контакте с жидкостью, между устройством и средой нет физического трения. Антенна изготовлена из антикоррозионных материалов (таких как Hastelloy, покрытие PTFE) и оснащена герметичной конструкцией уровня IP67/IP68. Она может выдерживать максимальное давление 60 МПа и диапазон температур от -60℃ до 400℃ и подходит для условий работы с сильной коррозией, высокой температурой и высоким давлением. Срок службы устройства продлен до 5-8 лет (срок службы традиционных контактных устройств обычно составляет менее 3 лет).
На распространение электромагнитных волн не влияют плотность среды, вязкость или цвет, и они могут проникать через пыль, пар и туман. Даже в сложных контейнерах с мешалками и перегородками, благодаря конструкции узкого луча или алгоритмам отслеживания эха, эхо поверхности жидкости все равно можно точно идентифицировать, и стабильность измерений не зависит от изменений окружающей среды.
Благодаря оптимизациям, таким как конструкция высокочастотного сигнала, модули компенсации температуры и давления и технология FMCW, погрешность измерения устройства может контролироваться в пределах ±0,1%, а диапазон измерения составляет 0,1 м-70 м. Он может быть адаптирован к измерению уровня/уровня материала жидкостей и некоторых твердых частиц (таких как пластиковые частицы, угольная пыль), удовлетворяя потребности нескольких отраслей, таких как нефтехимия, водоочистка, пищевая промышленность и фармацевтика, а также хранение энергии.
Оба являются бесконтактными методами измерения, но их основные технологии различны: радарные уровнемеры основаны на отражении электромагнитных волн, не подвержены влиянию пыли, пара и температуры, имеют широкий диапазон измерений (0,1 м-70 м) и подходят для сложных условий работы. Ультразвуковые уровнемеры основаны на отражении звуковых волн; звуковые волны легко ослабляются пылью и температурой, имеют узкий диапазон измерений (0,2 м-10 м) и подходят только для сценариев измерения жидкости, которые являются чистыми и свободными от помех.
Необходимо проводить оптимизацию с точки зрения адаптации принципа работы: выбрать частоту, соответствующую условиям работы (26 ГГц для сложных условий работы), откалибровать скорость распространения электромагнитных волн (компенсация в реальном времени на основе температуры и давления окружающей среды), убедиться, что диэлектрическая проницаемость поверхности жидкости соответствует требованиям (использовать волновод для сред с низкой диэлектрической проницаемостью) и регулярно очищать антенну, чтобы избежать помех от накопления материала, чтобы поддерживать высокоточное измерение.
Основываясь на их принципе работы, они могут быть адаптированы к особым условиям работы, таким как высокая температура (≤400℃), высокое давление (≤60 МПа), сильная коррозия (кислотно-щелочные среды), высокая запыленность (например, цементные силосы, резервуары для угольной пыли) и легкое запотевание (например, резервуары для брожения напитков). Кроме того, они не требуют частого обслуживания и являются предпочтительным оборудованием для измерения уровня жидкости в суровых промышленных условиях.
Принцип работы радарного уровнемера основан на «взаимодействии электромагнитных волн». Благодаря точной передаче, отражению, приему и расчету он реализует бесконтактное, высокоточное и высокоадаптируемое измерение уровня жидкости. Его технические преимущества вытекают из углубленной адаптации к потребностям промышленных сценариев. Будь то помехозащищенность в суровых условиях работы или адаптируемость к широкому диапазону измерений, и то, и другое обусловлено оптимизацией и итерацией принципа работы. С модернизацией промышленной автоматизации радарные уровнемеры, основанные на передовых принципах работы, будут продолжать оставаться основным оборудованием для измерения уровня жидкости в различных отраслях, продвигая промышленные измерения в направлении «более точного, более стабильного и менее затратного на обслуживание».
Контактная информация
Телефон: 15901050329
