Радарные, радиолокационные или микроволновые уровнемеры.

Почему у нашей статьи такое название? Да потому, что речь в нашей статье пойдет о классе уровнемеров, появившихся сравнительно недавно, и имеющих сразу три названия. Т.е. в данном случае, радиолокационные, радарные и микроволновые уровнемеры - это, можно так сказать, синонимы.

Сперва, поговорим, вообще, о технологии работы радаров и уровнемеров в частности.

Ученые-изобретатели всего мира задавались вопросом о возможности и необходимости применения радиоволн для обнаружения объектов на расстоянии ещё в 19 веке. Так, в 1886 году физик Генрих Герц (Германия) заметил, что радиоволны обладают способностью отражаться от металлических и диэлектрических предметов. Это дало предпосылки для того, чтобы многие ученые умы обратили свое внимание на природу радиоволн, и приступили к их изучению. В 1897 году русский ученый Попов установил, что, радиоволны отлично отражаются от металлической обшивки и деталей кораблей, и при должном уровне принимающего устройства, эта технология может быть использована для навигации кораблей. Но, главный прорыв в деле радиоволн и их практического применения был совершен  Кристианом Хюльсмайером (Christian Huelsmeyer) - изобретателем из Нижней Саксонии. Чем же так знаменит обычный паренек, родившийся в Германии в 1881 году? Кристиан Хюльсмайер - изобретатель радара. Ещё когда он был школьником, он проводил эксперименты с прибором модели Герца и обратил внимание, что металлические зеркала способны отражать электрические волны. На основании своих заметок, он сделал вывод о том, что используя эти волны, можно находить корабли в тумане (ведь в Северном море, с которым граничит Нижняя Саксония, туманы - не редкость) и любые другие металлические объекты. В возрасте 25 лет (в 1904 году) им был получен патент на прибор, в котором был использован эффект отражения радиоволн для обнаружения морских и речных судов. И хотя, из-за несовершенства конструктивного исполнения прибор Хюльсмайера практического применения не нашел, сама идея применения радиоволн, дала толчок к развитию радиолокационных технологий. Лишь тридцать с лишним лет спустя, была создана реальная аппаратура, которая могла быть использована на практике.

Всё шло своим чередом, и вот на рубеже 70-х - 80-х годов 20 века, появилась реальная потребность в бесконтактных уровнемерах. Всё дело в том, что контактные способы измерения уровня (с использованием буйковых и поплавковых уровнемеров) достигли своего максимума в точности, надежности, снижении затрат на обслуживание, и поэтому, стали сдерживать темпы автоматизации в сфере управления резервуарными парками. Впервые радарную технологию для контроля уровня применила в 1976 году компания SAAB (SAAB Rosemont Tank Control) для сырой нефти, в процессе перевозки супертанкерами.

Рисунок 1. Уровнемер Saab TankRadar в настоящее время.

До этого нововведения, для целей контроля уровня использовались измерительные системы, главным недостатком которых являлась зависимость точности показаний от давления, температуры, плотности среды. Радарные уровнемеры были лишены этих недостатков, что и обусловило их быстрое распространение во всех отраслях промышленности.

В качестве прототипа радарного уровнемера выступил радиодальномер (радиовысотомер), некоторые разновидности которого использовались в военной промышленности и авиации. В этих устройствах использовалась технология измерения запаздывания принимаемого радиосигнала относительно излучаемого. Однако, использовать отработанную военную технологию для создания радарных уровнемеров не получалось из-за малой надежности использовавшихся там генерирующих СВЧ-устройств вакуумного типа, а так же их высокой стоимости. Суть в том, что для уровнемеров необходим ресурс непрерывной работы длиною хотя-бы в несколько лет, тогда как в военных радиовысотомерах, такой ресурс не требовался. Изменения наступили с выходом на рынок доступных по цене, надежных СВЧ-генераторов полупроводникового типа, а также высокоточных сигнализаторов - это позволило сделать уровнемеры более простыми, надежными, точными и, главное, относительно недорогими. Принцип действия радиолокационного микроволнового уровнемера представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Принцип действия радиолокационного уровнемера.

Итак, в настоящее время, микроволновые радарные уровнемеры - это, пожалуй, самые технологически сложные средства для измерения уровня. Для определения расстояния до объекта контроля, здесь применяется электромагнитное излучение сверхвысокой частоты (СВЧ). Принцип действия любого радиолокационного уровнемера сводится к измерению времени распространения радиоволны от антенны (излучателя) уровнемера до поверхности контролируемого продукта и обратно на приемное устройство.

Вообще, существует два типа микроволновых уровнемеров:

- Импульсный уровнемер

- Уровнемер использующий радиоизлучение, непрерывное модулированное по частоте (так называемый FMCW - frequency modulated continuous wave).

Импульсные радарные уровнемеры излучают сигнал в импульсном (кратковременное излучение через равный промежуток времени) режиме. Прием отраженного сигнала, в этом случае, осуществляется в промежутках между испускаемыми импульсами. Импульсный радиолокационный уровнемер измеряет время прохождения сигнала туд-обратно, и таким образом определяет расстояние до поверхности контролируемой среды. Это наиболее простой и экономный, в плане электропитания, уровнемер. Однако, в виду того, что такие уровнемеры имеют недостатки, связанные со сложностью их изготовления, они не нашли широкого применения для точных измерений уровня. Ведь достигнуть малой длительности излучаемого импульса (импульс должен быть наносекундным, чтобы закончиться раньше, чем вернется отраженный импульс), а после измерить этот сверхкороткий импульс достаточно сложно, даже при современном развитии науки и техники. При слабой отражающей способности измеряемой среды, импульс может попросту «потеряться», поэтому передатчик импульсного уровнемера должен быть достаточно мощным. В основном, это уровнемеры иностранного производства.

Уровнемеры FMCW излучают постоянный непрерывный линейно частотно модулированный сигнал, и, в то же время, принимают отраженный сигнал, используя одну и ту же антенну. При этом, частота радиосигнала постоянно изменяется во времени по линейному закону (отсюда и название - линейный частотно модулированный). Время возвращения сигнала, отраженного от поверхности среды ил продукта зависит от скорости света и расстояния до продукта. Излучаемый и отраженный сигнал «смешиваются» в датчике уровня, в результате, получается сигнал, частота которого равняется разности частот излученного и принятого сигналов (на рисунке 2 обозначено как «F»). По этому  «смешанному» сигналу и определяется расстояние от антенны до измеряемой среды. Обработка такого сигнала осуществляется благодаря микропроцессорной системе, где частота результирующего сигнала пересчитывается в уровень наполнения какой-либо ёмкости. В качестве примера приведем уровнемеры семейства БАРС: «БАРС-314И», «БАРС-351И», «БАРС-332МИ» и «БАРС-322МИ».

Как правило, рабочая частота радарных СВЧ уровнемеров, вне зависимости от типа, варьируется от 5,8 до 26 ГГц. Здесь есть одна закономерность: чем выше рабочая частота, тем выше энергия излучения и тем более узок луч и, как следствие, тем сильнее отраженный сигнал. Именно поэтому, большинство высокочастотных уровнемеров способны измерять уровень наполнения емкости для сред с низкой диэлектрической проницаемостью и слабой отражательной способностью. Радарные уровнемеры удобны для работы в емкостях, в которых установлено различное оборудование, «съедающее» рабочее пространство для эксплуатации уровнемера. 

Однако, стоит упомянуть, что высокочастотные радарные уровнемеры достаточно чувствительны к таким факторам, как испарения, конденсат, запыленность, волнение на поверхности измеряемой среды, налипание среды на поверхности приемно-излучательной антенны. Для таких условий, больше подойдут уровнемеры с частотой от 5,8 до 10 ГГц, а также устройства с подогревом антенны, или антенной, спрятанной внутрь корпуса.

Кстати, насчет антенн - они оказывают огромное влияние на формирование и мощность сигнала. Тип и размер антенны, определяют, насколько точными будут показания уровнемера. Ведь чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она способна излучить, и в то же время принять отраженный сигнал. Различают следующиетипы и размеры антенн:

- Рупорная или коническая антенна - это наиболее универсальный тип антенн (рисунок 3). Как правило, рупорные антенны используют для больших емкостей. Конические антенны могут работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости и отражающей способности. Они подходят для применения в самых сложных условиях, и обеспечивают диапазон измерения от 0 до 40 метров в условиях спокойной поверхности. Примером такого уровнемера может являться «УР-203 Ex», «РДУ-1» и «ГАММА-РДУ», и защищенный «РДУ-Х2».

Рисунок 3. Радарный уровнемер с рупорной или конической антенной.

- Стержневая антенна - как правило, используется для небольших емкостей для измерения уровня химически агрессивных сред или гигиенических продуктов, а также в случае, если доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка (Рисунок 4).  Диапазон измерения у стержневых антенн составляет от 0 до 20 метров. Стержневая антенна для агрессивных сред, как правило, покрывается слоем защитной изоляции.

Рисунок 4. Радарный уровнемер со стержневой антенной.

-Тросовая антенна - по сути, является разновидностью стержневой удлиненной погружной антенны.  Здесь, металлический трос выступает в качестве антенны (рисунок 5). Эти антенны идеальны для измерения уровня сыпучих и жидких сред. На точность показаний не оказывает никакого влияния сильное пылеобразование, пенообразование, шум, конденсат, вскипание. Благодаря погружной конструкции, - тросовые антенны прекрасно подходят для крупных емкостей неправильных форм: шарообразных, имеющих коническое днище и др. Диапазон измерения у тросовых антенн составляет от 0 до 75 метров.

Рисунок 5. Радарный уровнемер с тросовой антенной.

- Трубчатая или коаксиальная антенна - технически, представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Такая антенна позволяет формировать сильный сигнал благодаря снижению рассеивания. Коаксиальная антенна используется, как правило, в сложных случаях: сильное волнения поверхности среды, большой слой пены на поверхности, либо для сред с очень низким уровнем диэлектрической проницаемости. Уровнемер с такой антенной имеет небольшой диапазон измерения уровня.

Рисунок 6. Радарный уровнемер с трубчатой (коаксиальной) антенной.

- Параболическая антенна - приборы с такой антенной являются, пожалуй, самыми точными приборами. Они могут обеспечить точность до 1 мм. Они применяются в системах для коммерческого учета.

Рисунок 7. Радарный уровнемер с параболической антенной

- Планарная или микрополосковая антенна - сложно говорить о точности этих приборов, поскольку здесь всё зависит от производителя и размера печатной платы. И хотя, за этими приборами будущее, но на данном этапе, большой точностью, за исключением некоторых приборов, они не располагают. Таким высокоточным исключением является, например, «УЛМ-11», «УЛМ-11А1», «УЛМ-11А2» и «УЛМ-31А2».

Рисунок 8. Радарный уровнемер с планарной (микрополосковой) антенной.

Итак, радарные уровнемеры, на данный момент, отвечают самым высоким требованиям: точность, надежность, диаметр измерения, простота установки и эксплуатации. Однако, помимо достоинств, у радиолокационных уровнемеров есть и недостатки: высокая цена, которая складывается из стоимости приемопередающего блока и самой антенны.

Кстати, особняком стоят микроволновые радарные сигнализаторы уровня, которые предназначаются для оповещения о достижении определенного уровня средой и подачи сигнала на пульт управления или на запорные клапаны или другую аппаратуру. Такими сигнализаторами являются: «РСУ-1» и «РСУ-3», для тяжелых сыпучих продуктов «РСУ-1Р-2» и «РСУ-1Р-2А», «РСУ-1Р» и «РСУ-1РА» для сыпучих материалов температурой до +200oC, для неабразивных сыпучих материалов «РСУ-2» и «РСУ-2А», «РСУ-4» для сыпучих продуктов и «РСУ-500» для контроля нагретых до +1500 градусов Цельсия сыпучих продуктов.

Рисунок 9. РСУ-4 сигнализатор уровня микроволновый радиолокационный.

Радарные уровнемеры являются самыми универсальными средствами измерения. Приборы этого типа прекрасно подойдут и для больших емкостей и для малых, с кривизной и без, для неоднородных сыпучих продуктов, и жидких сред, для химически активных веществ и для пищевых продуктов, для сред под давлением и температурой. В линейке микроволновых радарных уровнемеров, можно найти приборы на любой вкус и кошелек.