Измерение уровня

Приборы для измерения уровня: практическое руководство по выбору подходящего датчика.

Пять способов измерения уровня и почему важно выбрать именно их.

Компания Silver Automation Instruments поставляет пять основных технологий измерения уровня: бесконтактный радарный уровнемер , Радарный измеритель с направленными волнами ультразвуковой уровнемер гидростатические (погружные) датчики давления , и датчики давления или перепада давления для закрытых и находящихся под давлением резервуаров. Клиенты в Юго-Восточной Азии, на Ближнем Востоке, в Австралии, Южной Америке и Африке заказывают продукцию всех пяти типов, часто для одного и того же предприятия. На заводе по переработке пальмового масла могут использоваться радарный уровнемер 80 ГГц для резервуаров хранения, радарный датчик с направленной волной для деаэратора, датчик перепада давления для емкости для отбеливания под давлением и простой гидростатический уровнемер для отстойника сточных вод. Суть в том, что редко бывает один правильный ответ для всего предприятия. Правильный ответ есть для каждого резервуара.

В этом руководстве подробно описано, что хорошо получается у каждой технологии, в чем заключаются ее недостатки и какая модель подходит для какой задачи. Мы также приводим ссылки на более подробные технические статьи и примечания по применению, чтобы вы могли изучить информацию о ценах, методах выбора, схемах подключения, расстояниях установки или конкретном вопросе химической совместимости, как только определитесь с тем, какой датчик уровня вам нужен.

Краткое сравнение: радарный уровень, ультразвуковой уровень, гидростатический уровень и уровень давления/перепад давления.

Прежде чем углубляться в тему, вот краткая версия того, что действительно интересует большинство инженеров.

Бесконтактные радиолокационные измерители уровня

Бесконтактный радарный датчик уровня — это датчик непрерывного уровня Этот метод посылает микроволновый импульс в сторону среды и измеряет время отражения. При этом ничего не соприкасается с продуктом, поэтому отсутствует износ, риск загрязнения самого зонда и необходимость обслуживания движущихся частей. Именно поэтому он стал предпочтительным выбором для труднодоступных, коррозионно-активных или находящихся под давлением резервуаров. Компания Silver Automation Instruments производит два таких прибора. семейства частот : импульсный радар 26 ГГц и радар FMCW 80 ГГц. Выбор между ними в основном сводится к углу луча: более узкий луч позволяет избежать загромождения внутренних элементов и использования сопел меньшего размера, но при этом увеличивает себестоимость единицы продукции.

Связанный:

• Как работает измерение уровня с помощью радара
• Общие преимущества бесконтактных радиолокационных методов измерения уровня 

Импульсный радар 26 ГГц (серия SKRD90)

Радарный уровнемер серии SKRD90 26G включает шесть вариантов (SKRD91–SKRD96), каждый из которых предназначен для различных областей применения. SKRD91 предназначен для работы с сильно эрозионными жидкостями на глубине до 20 м и оснащен антенной из ПТФЭ. SKRD92 подходит для работы с обычными жидкостями на глубине до 30 м при температуре до 250°C. SKRD93 и SKRD94 предназначены для работы с пылеобразующими, склонными к образованию росы твердыми частицами на глубине до 70 м, в условиях, характерных для цементных силосов или хранилищ минералов. SKRD95 разработан для работы с порошками и твердыми частицами, а SKRD96 использует фланцевое гигиеническое соединение для работы с санитарными жидкостями.

На практике диапазон 26 ГГц охватывает широкий спектр сред: кислоты и слабокоррозионные технологические жидкости на основе СКРД91, воду и т.д. масла а также общие химические вещества на SKRD92, цемент, известь, руда а также другие пылеобразные сыпучие материалы на станциях SKRD93 и SKRD94. пластиковые гранулы Мелкодисперсные порошки — на SKRD95, а санитарные жидкости, такие как сиропы или молочные продукты, — на SKRD96. Именно такое разнообразие позволяет использовать эту серию на самых разных предприятиях: цементный завод, предприятие по переработке минерального сырья и завод по производству напитков могут подобрать подходящий вариант, не переходя на частоту 80 ГГц.

Все шесть приборов работают от 4 до 20 мА с использованием HART или RS485 Modbus RTU по запросу. Точность измерения варьируется от ±3 мм для моделей, ориентированных на жидкости, до ±15 мм для моделей, ориентированных на твердые вещества, что является нормой, поскольку твердые поверхности редко бывают плоскими. Каждый вариант SKRD90 имеет искробезопасную или взрывозащищенную опцию (Exib IIC T6 Gb), поэтому они подходят для резервуаров зоны 1 на нефтеперерабатывающих заводах и зерновых терминалах. Компания Silver Automation Instruments предлагает радарные уровнемеры, сертифицированные по стандарту ATEX.

Один из распространенных примеров использования SKRD93 и SKRD94 в проектах связан с хранилищами цемента и минералов в Юго-Восточной Азии и Южной Америке, где пыль и роса внутри силоса могут сбивать с толку ультразвуковой датчик, но практически не влияют на луч на частоте 26 ГГц. Другой распространенный пример — заказ SKRD91 на предприятиях Ближнего Востока для дозирующих емкостей с кислотами или щелочами, где антенна из ПТФЭ предотвращает контакт с контактирующим металлом, а широкий луч выдерживает определенную турбулентность во время дозирования.

Правильность крепления имеет большее значение, чем ожидают большинство покупателей. Антенна должна располагаться на расстоянии от 1/4 до 1/6 диаметра резервуара от центра, с зазором не менее 250 мм от стенки, и ни в коем случае не должна находиться непосредственно над потоком заправки. Полный список рекомендаций и запретов, включая геометрию размещения резервуара и отражающие пластины для резервуаров с внутренними препятствиями, мы рассматриваем в нашем разделе. Руководство по требованиям к установке радара на частоте 26 ГГц и спутник Справочник по схеме подключения радара 26 ГГц .

Радарный уровнемер с частотой 80 ГГц и модуляцией FMCW (серия SDRD8x)

При переходе к частоте 80 ГГц угол луча значительно сужается. Меньший угол луча означает, что сигнал фокусируется в более узком конусе, что позволяет устанавливать радарный датчик уровня в меньших патрубках, ближе к стенкам резервуаров и в емкостях, переполненных мешалками или лестницами. Компромисс заключается в более высокой стоимости единицы продукции, поэтому мы обычно рекомендуем 80 ГГц, когда геометрия резервуара сложна или когда заказчику требуется дополнительная точность.

Семейство SDRD8x включает модели от SDRD81 до SDRD88. SDRD81 — это универсальная модель для работы с жидкостями, рассчитанная на температуру от 90 до 250°C в зависимости от выбора антенны, с дальностью действия до 100 м. SDRD82 предназначена для работы с сильно коррозионными жидкостями. SDRD83 выдерживает давление и коррозионные нагрузки в одном корпусе. SDRD85 использует гигиеничное зажимное соединение для резервуаров с пищевыми продуктами и напитками. SDRD87 — это рабочая лошадка для работы с твердыми веществами и пылью, рассчитанная на дальность действия до 120 м, и именно эту модель мы чаще всего рекомендуем клиентам для больших резервуаров для хранения. SDRD88 использует фланец из PFA для работы с агрессивными смесями жидкостей и твердых веществ, степень защиты IP68.

Диапазон рабочих температур в 80 ГГц шире, чем показывают цифры. SDRD81 и SDRD82 подходят для всего, от воды и дизельного топлива до концентрированных кислот. SDRD85 — это модель, которую заказывают клиенты для молока, сиропа и других санитарных жидкостей, где зажимное соединение упрощает очистку на месте. SDRD87 и SDRD88 подходят для всего диапазона температур. пшеница и мука цемент, руда и другие сыпучие твердые вещества, а также вязкие или агрессивные жидкие и твердые смеси.

Один момент, который может сбить с толку покупателей, приобретающих устройство впервые: RS485 Modbus RTU является опцией для всей линейки SDRD8x, но Modbus TCP/IP не поддерживается стандартной электроникой. Если интеграция SCADA-системы заказчика требует использования Modbus TCP/IP, то для этого необходим шлюзовой преобразователь на стороне заказчика, а не отдельный счетчик.

Повторяющаяся закономерность, которую мы наблюдаем с SDRD87, касается зерновых кооперативов и мукомольных заводов в Австралии и Юго-Восточной Азии, где узкий луч достигает дна высокого узкого силоса, не улавливая помех от опорных ножек или лестниц внутри емкости. Что касается жидких продуктов, то терминалы по переработке пищевых и пальмовых масел часто указывают SDRD81 или SDRD82 для резервуаров хранения рафинированных продуктов, где точность в верхней части диапазона имеет значение для коммерческого учета и защиты от переполнения.

Обмен кейсами:

•   Радар 80 ГГц в зернохранилище
• Радарный уровнемер 80 ГГц для резервуаров хранения пищевого масла

Радарные уровнемеры с направленным волновым излучением (серия SKRD30)

Радар с направленными волнами Система GWR посылает тот же тип микроволнового импульса, что и бесконтактный радар, но он распространяется по зонду — стальному тросу, жесткому стержню или коаксиальной трубе, — а не через открытый воздух. Этот зонд концентрирует сигнал, поэтому система GWR продолжает надежно работать в ситуациях, которые затрудняют работу бесконтактного радара: пена, сильная турбулентность, среды с низкой диэлектрической проницаемостью и узкие или переполненные суда.

Серия SKRD30 включает шесть типов датчиков. В серии SKRD31 используется одножильный тросовый датчик. жидкость или твердых частиц на глубину до 30 м. SKRD32 — это стержневой зонд для жидкостей на глубину до 6 м. SKRD33 использует двойные тросовые зонды для твердых частиц, порошков или жидкостей с малой диэлектрической постоянной. SKRD34 рассчитан на работу при высоких температурах и высоком давлении, до 400°C и 40 МПа, со стержневыми или коаксиальными трубчатыми зондами. SKRD35 имеет покрытие из ПТФЭ для работы с коррозионно-активными жидкостями. SKRD36 использует коаксиальный трубчатый зонд, что является оптимальным выбором для жидкостей с очень малой диэлектрической постоянной или поверхностей, которые постоянно движутся.

Таблица диэлектрических постоянных здесь действительно полезна, поскольку выбор геоволнового датчика часто сводится к тому, насколько сильно среда отражает микроволновый сигнал. Для сред с диэлектрической постоянной ниже 1,9 (например, сжиженный нефтяной газ, растворители или легкие углеводороды) обычно требуется стержневой или коаксиальный зонд, а не тросик, и диапазон измерений сужается по мере снижения диэлектрической постоянной. Стержневые зонды измеряют среду с диэлектрической постоянной до примерно 1,9, а коаксиальные зонды позволяют снизить ее до примерно 1,6, но при этом уменьшается максимальная длина зонда (6 м).

Правила монтажа датчиков уровня GWR строже, чем кажется. Датчик уровня с направляющей должен располагаться на расстоянии не менее 300 мм от стенки резервуара (500 мм для бетонных резервуаров), конец датчика должен иметь зазор не менее 50 мм от дна резервуара, а резьбовые датчики не должны превышать высоту соединительной трубы 100 мм, если трос не закреплен на дне. Если вы используете соединение DN200 или больше, сама поверхность соединения может создавать эхо, которое снижает точность измерений при работе с продуктами с низкой диэлектрической проницаемостью, и обычно для решения этой проблемы используется переходник в форме рупора.

Связанный: Более широкий обзор радара с направленными волнами

Ультразвуковые уровнемеры (серия HL)

Ультразвуковой датчик уровня — это проверенное и доступное по цене решение. бесконтактное измерение технология, которая идеально подходит для открытые резервуары отстойники и каналы, где стоимость имеет первостепенное значение. Серия HL охватывает полный спектр... промышленный ультразвуковой датчик уровня свести линию к простой двухпроводной схеме ультразвуковой датчик уровня жидкости для одного резервуара. Принцип работы заключается в посылании звукового импульса к поверхности и синхронизации эха, автоматически корректируя его с учетом температурных изменений скорости звука. Выпускается в девяти вариантах конструкции: 2-проводной, 3-проводной, 4-проводной, искробезопасная 2-проводная версия (HLT1), стандартная версия с выносным дисплеем (HLF), многофункциональная версия с шестью реле (HLM) и три компактные версии без дисплея (HLVT, HLVT-T с конфигурацией Bluetooth и HLVR с RS485 Modbus RTU); Версия Profibus DP Также доступно для растений, использующих этот протокол в качестве стандарта.

Диапазон дальности действия составляет от 4 м до 40 м. расстояние заглушения Масштабирование от 0,20 м на самом коротком расстоянии до 1,5 м на версии с дальностью 40 м — мертвая зона прямо под поверхностью датчика, где эхо-сигнал невозможно надежно оценить, и это наиболее распространенная причина обращений в службу поддержки по поводу того, что «показания уровня перестают меняться при приближении к полному значению».

Ультразвуковой контроль подходит не для всех резервуаров. Он плохо справляется с сильными парами, пеной, пылью и вакуумом, а его точность (0,2% от диапазона) не сравнится с точностью радара в сложных условиях эксплуатации. Его сильные стороны заключаются в следующем: вода , сточные воды и других резервуарах со стабильной, небрызгивающей поверхностью — низкая себестоимость единицы продукции перевешивает разницу в точности для открытых каналов, отстойников и общего хранения жидкостей, где миллиметр или два не имеют значения.

Связанный:

• Ультразвуковой уровнемерiинструкция по установке
• Справочник по устранению неполадок
• Сравнение ультразвукового и радиолокационного воздействия
• Цены на ультразвуковые уровнемеры
• Как выбрать ультразвуковой уровнемер

Гидростатические (погружные) датчики уровня давления (SHLT02)

Измерение гидростатического уровня использует совершенно иной подход. Вместо измерения времени возникновения волны, диффузионный кремниевый датчик располагается на известной глубине и измеряет давление столба жидкости над ним. Поскольку давление и высота жидкости линейно связаны при заданной удельной плотности, погружной датчик давления SHLT02 преобразует показания давления непосредственно в уровень, объем или вес.

Гидростатический уровнемер SHLT02 измеряет глубину от 0,5 м до 200 м водяного столба с точностью 0,5% или 0,25% в зависимости от того, выберете ли вы стандартный выход 4–20 мА или версию HART. Также доступен выход Modbus RS485. Датчик имеет степень защиты IP68, а корпус передатчика — IP65 или IP67, что делает его оптимальным выбором для... глубокие колодцы а также резервуары и емкости, где радару или ультразвуковому датчику просто негде установить оборудование.

Важно особо отметить один момент: гидростатическое измерение уровня предполагает стабильную удельную плотность. Если плотность продукта в резервуаре значительно изменяется, например, в случае смеси сырой нефти, которая варьируется от партии к партии, показания уровня будут меняться, даже если показания давления точны. По этой причине мы обычно рекомендуем использовать гидростатические датчики для воды, сточных вод и резервуаров с постоянным содержанием одного продукта, а радарные или ультразвуковые датчики — для всего, где плотность не гарантирована, включая глубокие скважины и резервуары с другими материалами. формационная вода случаи.

Связанный:

• Сравнение маленького датчика уровня воды и датчика давления ,
• Гидростатические датчики давления для измерения уровня жидкости

Датчики давления и перепада давления для измерения уровня

Погружной гидростатический зонд работает только в том случае, если датчик можно опустить в резервуар. Для закрытых резервуаров, работающих под давлением или вакуумом, а также для котлов и реакторов с рубашкой охлаждения требуется другой подход: датчик давления или перепада давления (DP), установленный снаружи на технологических соединениях, который рассчитывает уровень на основе давления, создаваемого столбом жидкости, а не по волне или погружному зонду.

В открытом или вентилируемом резервуаре часто достаточно одного манометра, установленного у нижнего крана, поскольку атмосферное давление в верхней части резервуара постоянно и компенсирует друг друга. В закрытом или находящемся под давлением сосуде паровое пространство над жидкостью также оказывает собственное давление, поэтому один манометр, установленный у дна, будет измерять давление в резервуаре плюс напор жидкости, а не только напор жидкости. Дифференциальный манометр решает эту проблему, измеряя давление у нижнего крана относительно второго эталонного крана в верхней части сосуда, так что давление парового пространства компенсирует друг друга, и остается истинный напор жидкости.

Мы производим датчики давления и перепада давления с несколькими вариантами монтажа в зависимости от технологического процесса: прямой фланцевый или резьбовой монтаж для чистых жидкостей, капиллярное и диафрагменное уплотнение для вязких, кристаллизующихся или высокотемпературных сред, где технологическая жидкость никогда не должна попадать в корпус датчика, и пары удаленных уплотнений для обеспечения истинного перепада давления при соединении двух резервуаров. Для измерения уровня в барабане котла, уровня в дистилляционной колонне и в любом резервуаре, работающем с горячим конденсатом или паром, обычно требуется диафрагменное уплотнение, а не прямое контактное соединение, поскольку прямое соединение подвергло бы датчик воздействию колебаний температуры и давления пара.

Как и при гидростатических измерениях, при измерении давления и уровня перепада давления предполагается известная, стабильная удельная плотность для преобразования давления в показание уровня, поэтому следует соблюдать ту же осторожность: если плотность продукта значительно изменяется в процессе, рассчитанный уровень будет смещаться, даже если показание давления является точным. Для измерения уровня в барабане котла и других применений со стороны пара точный диапазон датчика, жидкость для заполнения уплотнения и длина капилляра зависят от рабочего давления и температуры, поэтому мы сверяем их с чертежом конкретного сосуда, а не указываем общие значения. Пришлите нам расстояние между отводами, рабочее давление и температуру процесса, и мы подберем датчик и конфигурацию уплотнения соответствующим образом.

Подбор датчика уровня в соответствии с областью применения

Каждая из пяти вышеперечисленных технологий имеет свои преимущества и недостатки. Выбор подходящей технологии для конкретного аквариума сводится к четырем вопросам, примерно в порядке убывания частоты их исключения из рассмотрения:

Что это за среда?

Обычно это первый фильтр. Коррозионные или высокочистые жидкости склоняют к использованию бесконтактного радара, поскольку ничто не соприкасается с продуктом. Пенящиеся или турбулентные поверхности исключают бесконтактный радар и указывают на необходимость использования радара с направленными волнами, поскольку зонд преодолевает поверхностный шум. Для получения полезного отражения от запыленных твердых тел с низкой диэлектрической проницаемостью требуется достаточная мощность микроволнового излучения, что является вопросом выбора между 26 ГГц и 80 ГГц, а не вопросом «да/нет» самого радара.

Ищете поддержку по одному из этих способов? Мы вам поможем:

• Коррозионные жидкости и химикаты: серная кислота , азотная кислота , нитрат аммония , жидкий натрий , силикат натрия , ингибиторы и биоциды
• Топливо и масло: топливо , масло , HFO , смазочное масло
• Водоснабжение и водоотведение: вода сточные воды, сточные воды
• Продукты питания и напитки: сахар , алкоголь , высокотемпературный солод
• Твердые и сыпучие материалы: зернохранилища и силосы для кукурузы , древесная щепа , руда и минералы , пластиковые гранулы , смола , асфальт

Какова геометрия резервуара?

Открытые или вентилируемые резервуары сохраняют гидростатическое давление; закрытые, находящиеся под давлением или вакуумом резервуары его снижают, поскольку нет места для опускания зонда, и вместо этого склоняют к использованию передатчиков динамического позиционирования. Высокие, узкие или переполненные резервуары с внутренними препятствиями предпочитают более узкий луч (80 ГГц или GWR) широкому.

Каковы условия процесса?

Для работы при высоких температурах, высоком давлении или в условиях воздействия пара обычно используется диафрагменное уплотнение или капиллярная система, а не прямое контактное соединение, независимо от выбранной технологии. Работа в вакууме полностью исключает возможность использования ультразвука.

Какой бюджет ?

Это последний фильтр, а не первый — он выбирает между двумя технологиями, которые уже обе работают, а не определяет, какая из них технически верна. Ультразвуковая обработка дешевле для атмосферных резервуаров с чистой, стабильной поверхностью; как только атмосфера или геометрия исключают её использование, стоимость перестаёт иметь значение. Для самых ограниченных бюджетов... дешевый уровнемер можно еще больше снизить затраты, используя простые способы связи, такие как... датчик уровня пузырьков Их тоже стоит рассмотреть, если только пена или пар не представляют опасности.

Вот как это выглядит на практике, по регионам:

На терминале по переработке пальмового масла в Юго-Восточной Азии работает радар с частотой 80 ГГц. очищенные резервуары для хранения Поскольку радар всегда является лучшим выбором, а экономия на качестве данных — это просто пустая трата денег. С прудами для сточных вод ситуация иная, поскольку требований к точности нет, поэтому ультразвуковой метод справляется с задачей дешевле.

На одной из ближневосточных опреснительных установок используется гидростатическая технология для водозаборных колодцев и резервуаров, поскольку она дешева, открыта и проста, и там она прекрасно работает. Но как только в резервуаре оказывается едкое дозирующее вещество, система переключается на радар с направленными волнами, поскольку зонд больше нельзя разместить вблизи этой жидкости.

В одном австралийском зерновом кооперативе каждый силос оборудован радаром, потому что резервуары высокие и узкие, зерно постоянно перемещается внутри, и ничто другое не выдерживает таких условий.

На одном и том же горнодобывающем предприятии в Южной Америке в итоге получают два разных ответа: радар с направленными волнами для флотационных ячеек, потому что они пенятся, и гидростатический радар для хвостохранилищ, потому что они не пенятся. Содержимое резервуара определяет всё, даже в пределах одного и того же предприятия.

Основные принципы установки, применимые ко всем технологиям.

Независимо от выбранной технологии, три правила установки позволяют избежать большинства обращений в службу поддержки.

Во-первых, держите датчик подальше от потока наполнения. В каждом опубликованном нами руководстве по эксплуатации радаров, волноводных и ультразвуковых устройств это повторяется, поскольку датчик, направленный на падающий продукт, а не на осевшую поверхность, будет показывать ложные значения уровня.

Во-вторых, соблюдайте расстояние до зоны подавления сигнала или мертвой зоны и убедитесь, что максимально ожидаемый уровень продукта никогда не попадает в нее.

Во-третьих, для любой взрывозащищенной или искробезопасной установки следует подбирать барьер или изолятор в соответствии с сертифицированными параметрами, указанными на паспортной табличке, а не в типовой спецификации; использование неправильного барьера является наиболее распространенной причиной, по которой сертифицированная установка не проходит проверку.

Получите рекомендации по выбору датчика уровня для вашего аквариума.

Каждый резервуар немного отличается, и самый быстрый способ подобрать подходящую модель — это сообщить нам фактические условия эксплуатации, а не гадать по каталогу. Электронная почта sales@silverinstruments.com с:

• Среда (жидкость, твердое вещество или суспензия) и ее приблизительная диэлектрическая постоянная или химическое название.
• Тип резервуара: геометрия, диаметр, а также тип конструкции: открытый, под давлением или с перемешиванием.
• Температура процесса (°C) и давление (бар или МПа)
• Необходимый диапазон измерения (м) и тип монтажного соединения (размер резьбы, номинальный диаметр фланца или DN).
• Для датчиков давления или перепада давления: расстояние между ответвлениями и необходимость использования диафрагменного или капиллярного уплотнения.
• Требуемый выходной сигнал: 4–20 мА/HART или RS485 Modbus RTU
• Классификация взрывоопасной зоны, если таковая имеется (например, зона ATEX 1, IECEx).

Мы предоставим вам конкретный номер модели, а не просто название семейства продуктов, а также техническое описание и предварительную смету.