Радіолокаційні (радарні) рівнеміри

Принцип дії всіх відомих радарних рівнемірів ґрунтується на вимірюванні часу розповсюдження радіохвилі від антени рівнеміра до поверхні продукту, рівень до якого вимірюється, і назад, при відомій швидкості її розповсюдження. Відомо, що швидкість поширення електромагнітних хвиль (фазова швидкість, м/с) у середовищі залежить від властивостей середовища:

(6.11)

де e_a= e₀e — абсолютна діелектрична проникність середовища, Ф/м;

m_а = m₀m - абсолютна магнітна проникність середовища, Гн/м.

Як правило, застосовується локація через газ, тому що при цьому чутливий елемент не піддається впливу вимірюваного рідкого або сипкого середовища. Крім того, діелектричні проникності практично всіх газів близькі до одиниці, внаслідок цього показання рівнемірів практично не залежать від властивостей середовища, що заповнює ємність.

Найбільш простим, з точки зору реалізації на перший погляд, виглядає імпульсний метод, суть якого у вимірюванні часу запізнення прийнятого імпульсу відносно випромінюваного. Але при його реалізації виникають наступні труднощі: 1) випромінюваний імпульс повинен бути достатньо короткий, щоб закінчитись раніше, ніж у антену надійде відбитий імпульс, тобто, імпульс повинен мати довжину в одиниці наносекунд і менше і реалізувати його не так просто; 2) випромінюваний радіоімпульс повинен бути достатньо потужним, щоб забезпечувалось необхідне співвідношення сигнал/шум в прийнятому сигналі, а це накладає відповідні вимоги до випромінюючого елементу; 3) задача високоточного вимірювання наносекундних часових інтервалів між випромінюваним і відбитим імпульсами непроста у технічному вирішенні. При цьому, через велику швидкість поширення електромагнітних хвиль у газовому середовищі (практично дорівнює швидкості розповсюдження світла), реалізація радіолокаційного методу, по аналогії з ультразвуковим «ехо-методом», практично не можлива на відносно малих відстанях (рівнях), так як необхідне вимірювання досить малих інтервалів часу, обумовлених часом проходження хвилі від випромінювача до границі розподілу двох середовищ і назад.

В силу перерахованих факторів мало фірм займаються випуском радарних

імпульсних рівнемірів і імпульсні методи використовуються у випадках, коли

відбиваюча властивість продукту є високою і не вимагається висока точність вимірювання, а діапазон вимірювання рівня великий - десятки, а іноді й сотні метрів.Радарний імпульсний рівнемір SITRANS LR 200 фірми “Siemens” при-

ведений на рис. 6.9 [ а)його загальний вигляд та б) установка його на об’єкті].

а) б)

Рис.6.9. Радарний рівнемір SITRANS LR 200 а) та його установка б).

Фірма “Siemens” рекламує LR 200 - як компактний імпульсний радар, який ідеально підходить для вимірювання рівня в відкритих ємностях або танках зберігання рідин в хімічній та інших галузях промисловості. Він може використовуватись як в нормальних умовах експлуатації так і вибухонебезпечних зонах. В LR 200 використовується прогресивна мікрохвильова технологія для надійного вимірювання рівня рідин та суспензій в діапазоні від 0,3 м до 20 м. Використовування відносно низької частоти випромінювання для отримання сигналу вимірювальної інформації і в той же час висока швидкість проходження цього сигналу у каналі вимірювання, практично усувають вплив температури та інших параметрів навколишнього середовища результати вимірSITRANS LR 200 - рішення для вимірювання рівня рідин в бункерах для їхнього зберігання або в звичайних резервуарах. Цей 2-х провідний імпульсний радар ідеально підходить також для вимірювання рівня в бункерах для зберігання сипких речовин. Стандартна антена SITRANS LR 200 - це поліпропіленова стержнева антена. Вона має високу хімічну стійкість і є герметичною. Антена має вбудований внутрішній екран, який попереджує перешкоди від монтажних штуцерів.Оригінальний дизайн SITRANS LR 200 дозволяє застосовувати програмування за допомогою іскробезпечного інфрачервоного ручного програматора. Крім того пристрій має вбудовану алфавітно-цифрову індикацію на чотирьох мовах.

Останнім часом найбільше розповсюдження дістають рівнеміри, які

використовують безперервне модульоване по частоті радіовипромінювання (технологія), наприклад, рівнемір УЛМ-11 (ЗАО «ЛІМАКО», м. Тула). Суть роботи такого рівнеміра в тому, що мікрохвильовий генератор сенсора рівня формує радіосигнал, частота якого змінюється в часі по лінійному закону – лінійний частотно-модульований сигнал. Цей сигнал випромінюється у напрямку продукту, відбивається від нього, і частина сигналу через певний час, який залежить від швидкості світла і відстані, повертається назад у антену. Випромінюваний та відбитий сигнали змішуються в сенсорі рівня і в результаті утворюється сигнал, частота якого дорівнює різниці частот прийнятого і випромінюваного сигналів , і відповідно, відстані від антени до вимірюваного за рівнем продукту. Подальше опрацювання сигналу здійснюється мікропроцесорною системою сенсора, яка здійснює високоточне визначення частоти результуючого сигналу і перерахунку її значення в значення рівня наповнення резервуару.

Частота випромінювання сучасних радарних рівнемірів лежить в межах від 5 до 90-100 ГГц. Рівнеміри по технології FMCW працюють на верхній межі частот випромінювання і мають малу за габаритами антену, що дозволяє розташовувати її безпосередньо в корпусі рівнеміра. Це дозволяє усунути один із основних факторів (впливу розміру антени) на точність вимірювання рівня, який не завжди враховується при виборі рівнеміра. Цей фактор пов'язаний з можливим випаданням конденсату на поверхню антени (останнє необхідно оцінювати), який різко змінює швидкість розповсюдження радіохвилі в антені, по відношення до швидкості хвилі у відкритому просторі, і викликає додаткову похибку, яка може дорівнювати декілька міліметрів.

Всі радарні рівнеміри складаються із таких основних блоків: антени, приймаючого – передавального (НВЧ) блоку, сигнального процесора та контролера комутації.

Задача антени – формування та випромінювання радіо променя. Якщо останній розповсюджується в необмеженому просторі, то являє собою конус, вершина якого співпадає з основою 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. Таким чином, необхідний кут розкриття променя, який гарантує його вільне (без задівання стінки резервуара) розповсюдження, може бути досягнутий або збільшенням габаритів антени, або збільшенням частоти випромінювання.

Приймаючий – передавальний (НВЧ) блок – основний блок рівнеміра, який визначає весь його комплекс характеристик від точності до ціни. Він визначає співвідношення між потужністю випромінювання, яка не перевищує із умови техніки безпеки десяту долю міліват, та чутливістю приймача (коефіцієнт шуму), яка складає 8-12 дБ і визначається параметрами вхідних елементів. Блок НВЧ є складнішим радіоелектронним пристроєм як з точки зору його виготовлення так і проектування, при чому складність зростає з ростом частоти випромінювання. Це підтверджується і невеликою кількістю фірм, які виготовляють радарні рівнеміри.

Сигнал з виходу блоку НВЧ проходить подальшу обробку в сигнальному

процесорі, основна задача якого виділити із загального сигналу (з шумом, іншими впливаючими факторами) корисну складову прийнятого сигналу, відфільтрувати його та провести перетворення з високою точністю або наносекундного часу запізнення відбитого імпульсу, або різниці частот в приладах FMCW у відстань між антеною та по верхньою продукту. Для вирішення таких задач сучасні швидкісні процесори оснащені алгоритмами дискретного перетворення Фурьє (ДПФ), які найбільше підходять для вирішення таких задач перетворення. Контролер комунікації є вузлом, який забезпечує зв’язок рівнеміра з зовнішніми об’єктами.