радарні рівнеміри

1. 1. Звідки і навіщо з'явилися радарні рівнеміри
2. 2. Принцип дії радарних рівнемірів. Їх різновиди.
3. 2.1. антена
4. 2.2. Приймально (СВЧ) блок
5. 2.3. сигнальний процесор
6. 2.4. контролер комунікації
7. 3. Як правильно вібрато радарних рівнемір

Рівнеміри ПОМ - це безконтактні радіохвильові радарні рівнеміри, призначені для вимірювання рівня наповнення резервуарів рідкими і сипучими продуктами. Рівнеміри ПОМ мають різні виконання і модифікації, що дозволяють забезпечити оптимальне і максимально надійне вимірювання рівня в різних умовах.

В даний час радарні рівнеміри все більш успішно конкурують з рівнемірами інших типів.

1. Звідки і навіщо з'явилися радарні рівнеміри

Нагальна потреба в радарних рівнемірах з'явилася в 70 - 80-их роках минулого століття, коли контактні методи вимірювання рівня (поплавкові, буйкові і т.д.) досягли своєї межі по надійності, витрат на обслуговування, точності і тому почали стримувати темпи автоматизації управління резервуарними парками.

Що стало прототипом радарного рівнеміра?

Прототипом радарного рівнеміра з'явилися радіовисотомір (радіодалекоміри), які широко використовувалися у військовій, головним чином, авіаційної, промисловості. У цих приладах для оцінки відстаней використовувалося вимір запізнювання прийнятого радіосигналу щодо излученного. Однак використовувати відпрацьовані у військовій промисловості технічні рішення для створення радарних рівнемірів довгий час не вдавалося через низьку надійності вакуумних генеруючих СВЧ - пристроїв і їх високу вартість. Справа в тому, що для радіовистомеров, що використовувалися у військовій промисловості, не був потрібен тривалий ресурс безперервної роботи, в той час як для радарних рівнемірів цей ресурс повинен був вимірюватися роками. Прорив на даному напрямку стався після того, як на ринку з'явилися комерційно доступні, надійні напівпровідникові НВЧ-генератори на діодах Ганна, на ЛПД-діодах, на транзисторах.

Іншим серйозним імпульсом в розвитку радарних рівнемірів послужила поява високоточних синтезаторів частоти і сигнальних процесорів, які дозволили порівняно простими засобами реалізувати обробку сигналу, що гарантує необхідну високу точність вимірювання.

2. Принцип дії радарних рівнемірів. Їх різновиди.

Принцип дії всіх відомих радарних рівнемірів заснований на вимірюванні часу поширення радіохвилі від антени рівнеміра до поверхні продукту, рівень якого вимірюється, і назад.

Найбільш простими з точки зору реалізації на перший погляд виглядає імпульсний метод, що полягає у вимірюванні часу запізнювання прийнятого імпульсу щодо излученного. Однак при найближчому розгляді очевидні технічні труднощі реалізації цього методу.

По-перше, що випромінюється імпульс повинен бути досить коротким, щоб закінчитися раніше, ніж в антену надійде відбитий імпульс, тобто звучати хоча б в одиниці наносекунд і менше, що реалізувати не так просто.

По-друге, що випромінюється радіоімпульс повинен мати достатньо велику потужність, щоб забезпечити необхідне відношення сигнал - шум в прийнятому сигналі, а це накладає серйозні вимоги до випромінює елементу, особливо при великих діапазонах вимірювання рівня і низьких відбивних здібностях продукту.

По-третє, завдання високоточного вимірювання наносекундних тимчасових інтервалів між випромененим і прийнятим імпульсом технічно непроста в рішенні.

В силу перерахованих факторів імпульсні методи не знайшли широкого поширення при вирішенні завдань з високоточного виміру рівня, і застосовуються лише там, де не потрібна висока точність. Так само, на увазі обмеженості застосовних методів обробки імпульсних сигналів, є серйозні обмеження по вимірюванню рівня продуктів зі слабким отраженіемі і швидкоплинних рівнем. Наприклад, часто зустрічаються нестійкі вимірювання при відвантаженні або завантаженні сипучих матеріалів, що зазвичай "списують" на вплив запиленості.

Найбільш перспективні радарні рівнеміри, що використовують безперервне модульоване по частоті радіовипромінювання (FMCW). Принцип дії такого рівнеміра полягає в наступному. Мікрохвильовий генератор датчика рівня формує радіосигнал, частота якого змінюється в часі за лінійним законом - лінійний частотно модульований сигнал. Цей сигнал випромінюється в напрямку продукту, відбивається від нього, і частина сигналу через певний час, що залежить від швидкості світла і відстані, повертається назад в антену. Випромінювань і відбитий сигнали змішуються в датчику рівня, і в результаті утворюється сигнал, частота якого дорівнює різниці частот прийнятого і излученного сигналів F і, відповідно, відстані від антени до вимірюваного продукту. Подальша обробка сигналу здійснюється мікропроцесорної системою датчика рівня і полягає в точному визначенні частоти результуючого сигналу і перерахунку її значення в значення рівня наповнення резервуара.

Мал. 1. Принцип дії радарного рівнеміра.

При виборі конкретної моделі радарного рівнеміра споживачеві важливо зрозуміти від чого безпосередньо залежить споживчі властивості радарного рівнеміра.

Для споживача найбільш важливими є наступні параметри радарного рівнеміра.

1. Точність.
2. Чутливість.
3. Швидкодію.
4. Простота монтажу.
5. Ціна.

Як показано вище, все радарні рівнеміри складаються з наступних основних вузлів:

1. антена;
2. Приймально (СВЧ) блок;
3. Сигнальний процесор;
4. Контролер комунікації.

2.1. антена

Завданням антени є формування радиолуча. Радіопромінь, якщо він поширюється у відкритому, що не обмежує його просторі, являє собою конус, вершина якого збігається з підставою антени. Ширина цього конуса (кут розкриття) обернено пропорційна апертурі (діаметру) антени і обернено пропорційна частоті випромінювання (це правило є фундаментальним і не залежить від типу антени). Іншими словами, необхідну ширину променя, що гарантує вільне, що не зачіпає стінки резервуара поширення радиолуча можна забезпечити або збільшенням частоти випромінювання або збільшенням габаритів антени. А при одній і тій же ширині променя габарити антени більш високочастотного радарного рівнеміра будуть у стільки разів менше, у скільки разів його частота вище, ніж у радарного рівнеміра з меншою частотою випромінювання. Цей факт добре ілюструється малюнком 2, де в масштабі показані рівнемір ПОМ-11, що працює на частоті понад 90 ГГц і має ширину променя 4 °, антена якого через малі габарити не виходить за контури корпусу, і гіпотетичний радарний рівнемір з такою ж шириною променя, але працює на частоті 10 ГГц.

Рис.2 Порівняння габаритних розмірів.

Чи впливають параметри антени на точність вимірювання? Так, впливають. Справа в тому, що для забезпечення високої точності вимірювання необхідно високе відношення сигнал / шум на вході рівнеміра (як правило, не менше 20 дб), а це відношення при одній і тій же потужності випромінювання і коефіцієнті шуму приймача тим більше, що вже радиолуч. Зменшення ж ширини променя, як було показано вище, може бути досягнуто або за рахунок збільшення габаритів антени або за рахунок підвищення частоти випромінювання.

Слід зазначити ще один важливий фактор впливу виду і розмірів антени на точність вимірювання, який не завжди враховують при виборі рівнеміра. Це вплив випадання конденсату на поверхню антени. Хоч як би запевняли покупців деякі виробники радарних рівнемірів, що випадання конденсату на точність їх рівнеміра не впливає - це не так. Швидкість поширення радіохвилі через конденсат різко відрізняється від швидкості поширення у відкритому просторі. Тому випадання конденсату завжди веде до додаткової похибки, величина якої може досягати декількох міліметрів. Тому при виборі радарних рівнемірів, коли потрібна висока точність вимірювань, треба в першу звернути увагу на рівнеміри, у яких можливість випадання конденсату на антені менше.

З фізики відомо, що випадання конденсату схильні до поверхні, температура яких нижче, ніж температура середовища. Тому, якщо температура антени радарного рівнеміра, встановленого на даху резервуара, буде нижче, ніж температура парів продукту, то конденсат неминуче випаде на поверхню антени і призведе до додаткової похибки. Уникнути цього частково або повністю можна обігріваючи антену. Однак якщо антена має великі розміри, реалізувати це з урахуванням вимог вибухозахисту практично неможливо.

Радарні рівнеміри, що працюють на високих частотах випромінювання, дозволяють через малі габарити антени розташувати останню безпосередньо в корпусі рівнеміра і для підігріву антени використовувати тепло, що виділяється апаратурою рівнеміра, а також додаткові нагрівальні елементи, розташовані всередині вибухозахищеного корпусу.

Саме так влаштовані рівнеміри ПОМ, особливо ПОМ-11 і ПОМ-11А1 , Які мають додатковий вбудований підігрів антени. Поверхня їх антени завжди тепліше парів і тому випадання конденсату мінімально.

Експлуатація радарних рівнемірів для вимірювання рівня мазуту в резервуарах з підігрівом на різних електростанціях повністю підтвердило цю перевагу високочастотних радарних рівнемірів.

Якщо порівнювати вклад вартості виготовлення антени в вартість радарного рівнеміра в цілому для рівнемірів, що працюють на різних частотах, то тут необхідно зазначити наступне. Для антен рупорних, рупорно-лінзових, дзеркальних вартість з підвищенням частоти падає через зменшення габаритів і, відповідно, матеріаломісткості.

Однак різке зниження вартості виготовлення антени може бути досягнуто при її Микрополосковая виконанні. В цьому випадку антена являє собою практично друковану плату виконанню на спеціальному матеріалі, за спеціальною технологією. Так влаштовані рівнеміри ПОМ-31А1 . Таким чином, крім усього іншого, антена виявляється повністю захована в корпусі рівнеміра і не схильна до впливу окружаюшей середовища.

2.2. Приймально (СВЧ) блок

Найважливішим вузлом радарного рівнеміра є приймально (СВЧ) блок. Без перебільшення його можна назвати серцем рівнеміра. Саме цей вузол визначає весь комплекс характеристик радарного рівнеміра від точності до вартості.

Розглянемо як впливають на точність вимірювання окремі параметри НВЧ - блоку. Як було показано вище, на точність вимірювання впливає відношення сигнал / шум на вході рівнеміра. На це відношення впливають потужність випромінювання і чутливість (коефіцієнт шуму) приймача. Очевидно, що підвищувати потужність випромінювання безмежно можна з міркувань техніки безпеки, вибухобезпеки та надійності. Як правило, яку випромінює потужність радарних рівнемірів не перевищує десятих часток міліватт. Чутливість приймача (коефіцієнт шуму) визначається як правило шумовими параметрами вхідних елементів і лежить в межах 8 - 12 дб. Наступним найважливішим параметром приймально-передавального блоку є девіація частоти випромінювання (див. Рис. 1) або іншими словами діапазон зміни частоти випромінювання в процесі вимірювання. З теорії вимірювання відстані FMCW методом відомо, що чим вище девіація частоти, тим вище роздільна здатність і точність вимірювання відстані (в нашому випадку рівня). Однак прагнення збільшити девіацію частоти наштовхується на технічну складність забезпечення широкополосности приймально-передавального блоку. Причому ця складність тим більше, чим більше відношення девіації до несучої частоті. Наприклад, якщо для забезпечення необхідної точності вимірювання потрібна девіація 2 ГГц, то забезпечити її при частоті 10 ГГц, де ставлення девіації до несучої частоті становить 0,2, значно складніше, ніж при частоті 100 ГГц, де цей показник становить 0,02 . Це підтверджується тим, що в рівнемірах ПОМ-11, що працюють на частоті понад 90 ГГц, досягнута девіація частоти 4 ГГц, в той час як в приладах, що працюють на частотах 6 - 24 ГГц вона, як правило, не перевищує 1 ГГц. Для досягнення високої точності вимірювання необхідно також забезпечити дуже високу лінійність зміни частоти випромінювання в процесі вимірювання. Ще 10 років тому це складало серйозну проблему і вимагало складних і дорогих технічних засобів (наприклад, високоточного термостатирования СВЧ - блоку.) В останні роки в зв'язку з появою високоточних синтезаторів частоти, керованих процесором, рішення цієї проблеми не представляє великої складності.

Зі сказаного вище випливає, що чим вище частота, на якій працює приймально блок, тим вище потенційні можливості рівнеміра за точністю і чутливістю. Однак слід зазначити, що приймально блок є складним радіоелектронним пристроєм як з точки зору виготовлення, так і з точки зору проектування. Причому складність розробки і виробництва таких блоків істотно зростає з ростом частоти. Приймально-передавальні блоки, що працюють на частотах 6 - 24 ГГц, виконуються, як правило, по мікрополоскової технології, причому чим вище частота, тим вище вимоги до технології в зв'язку з меншими розмірами мікросмужкових елементів. Приймально-передавальні ж блоки, що працюють на частотах вище 30 ГГц, могуть бути виконані за комбінованою Микрополосковая - хвилеводної технології, що істотно сложнене і дорожче мікрополоскової технології. Так само слід зазначити, що з ростом частоти істотно зростають витрати на вимірювальне обладнання, яке використовується при виробництві, налаштування і випробуваннях.

Крім того слід зазначити, що специфіка проектування і освоєння виробництва приймально-передавальних блоків, яка полягає в приблизності існуючих методик розрахунку, великого числа ітерацій при розробці, призводить до значних термінів від моменту постановки завдання до моменту початку серійного виробництва. Ці проблеми посилюються з ростом частоти.

Резюмуючи сказане вище, можна зробити висновок, що, по-перше, приймально блок це найбільш складна і дорога частина радарного рівнеміра, а по-друге, освоєння виробництва радарних рівнемірів вимагає значних термінів і капітальних вкладень. Сказане підтверджується порівняно невеликою кількістю виробників радарних рівнемірів, присутніх на світовому ринку.

Сигнал, з виходу НВЧ-блоку повинен пройти подальшу обробку для отримання остаточних даних про рівень наповнення резервуара.

2.3. сигнальний процесор

На вхід сигнального процесора з виходу НВЧ-блоку надходить сигнал, в якому міститься корисна складова, сформована відображенням від поверхні продукту, перешкоди, шум. Завданням сигнального процесора є за кінцевий час (десятки мілісекунд) виділити з сигналу корисну складову і з необхідною точністю виміряти частоту цього сигналу, яка, як було показано вище, прямо пропорційна відстані від антени до поверхні продукту. Найбільш підходящим алгоритмом для вирішення цього завдання є дискретне перетворення Фур'є (ДПФ). Алгоритм ДПФ вимагає високої розрядності, високої швидкодії і значного обсягу пам'яті. У 90-х роках минулого століття існували сигнальні процесори в силу відносно невисоких параметрів не дозволяли оптимально вирішити проблему вимірювання. В даний час ситуація кардинально змінилася. Успіхи таких виробників як Analog Devices, Texas Instruments і ін., Що випустили на ринок високопродуктивні сигнальні процесори, привели до того, що оптимальна обробка сигналу тепер вимагає порівняно невеликих зусиль, а частка вартості апаратури обробки сигналу в вартості рівнеміра впала до 5 - 8%.

В наслідок цього, відмінності в ефективності обробки сигналу у різних виробників радарних рівнемірів звелися до мінімуму. У зв'язку з цим роль високочастотної частини рівнеміра (антена і приймач) ще більше зростає, так як стає більш важливим не те як ти обробляєш сигнал, а то який сигнал ти обробляєш.

2.4. контролер комунікації

Контролер комунікації є вузлом, що забезпечує зв'язок радарного рівнеміра з зовнішніми об'єктами. В даний час виробники радарних рівнемірів представляють споживачам широку номенклатуру цифрових і аналогових інтерфейсів. Реалізуються вони за допомогою стандартних апаратних і програмних засобів. Частка вартості апаратури, що забезпечує комунікацію радарного рівнеміра, в загальній вартості, як правило, не перевищує одиниць відсотків.

3. Як правильно вібрато радарних рівнемір

У Сейчас годину на Сайти Вся присутности значний Кількість моделей радарних рівнемірів з діапазоном вимірювання до 70 м, паспортної точністю від ± 0,5 мм до ± 10 мм и ціною від 0,8 до 10 тисяч долларов. Завдання споживача - підібраті модель, что задовольняє поставленим Вимоги, и не переплатіті при цьом Зайве грошей. Перше, что необходимо сделать, це ретельно вівчіті рекламовані технічні характеристики. Справа в тому, що методики нормування метрологічних характеристик у різних виробників дещо відрізняються. Наприклад, деякі виробники замість точності вказують параметр «роздільна здатність», а це далеко не одне і те ж. Іноді в основних технічних характеристиках вказана дуже висока точність вимірювання, а при більш ретельному розгляді з'ясовується, що це відноситься до нормальних умов експлуатації, а при зміні температури нормується додаткова похибка, і т.п. Головне, як було показано вище, споживач повинен зрозуміти, що вся потенційна точність і чутливість закладені в високочастотної частини рівнеміра, а саме в антені і СВЧ - блоці. Грамотна обробка сигналу, а в більшості випускаються рівнемірів вона природно виконана грамотно, дозволяє витягти максимум інформації з виходу НВЧ - блоку, додати же інформації вона принципово не може. Інформації ж на виході СВЧ - блоку, як було показано вище, тим більше, чим вище використовувана частота. Тому споживач повинен звертати увагу на те, на якій частоті працює рівнемір, і що б не було записано в рекламі щодо точності, повинен розуміти, що чим вище частота, тим точність більш обгрунтована і гарантована. Природно, що при цьому необхідно враховувати, що високочастотні радарні рівнеміри потенційно більш дорогі.

Іншим важливим моментом, на який необхідно звертати увагу споживача, є те, що в технічних характеристиках виробники часто не вказують динамічні характеристики (швидкодія) рівнеміра. Тому, якщо необхідна точна інформація про рівень безпосередньо в процесі його зміни, споживач повинен задати виробнику питання, які проясняють цей момент.

Серйозну увагу потрібно приділити можливого випадання конденсату на елементах антени рівнеміра. Якщо в резервуарі присутні насичені пари, а температура антени нижче температури всередині резервуара, то конденсат обов'язково випаде. І необхідно прояснити питання, чи буде його вплив прийнятним.

Ідеальний варіант - це перед остаточним вибором моделі радарного рівнеміра провести дослідну експлуатацію або вивчити досвід експлуатації даної моделі іншими споживачами на аналогічних об'єктах.