Распространённые причины погрешностей измерения радарными и ультразвуковыми уровнемерами

Радарные и ультразвуковые уровнемеры получают информацию об уровне бесконтактным способом, однако механизмы распространения сигналов у этих двух типов датчиков различаются. Радарные уровнемеры рассчитывают расстояние по отражённому электромагнитному сигналу, а ультразвуковые уровнемеры определяют уровень по времени прохождения звуковой волны туда и обратно. Если отображаемое на месте значение отличается от результата ручного измерения, прежде всего необходимо определить, является ли отклонение постоянным, увеличивается ли оно с изменением уровня или случайно колеблется при определённых рабочих условиях.

Постоянное отклонение обычно связано с расстоянием до пустого резервуара, началом диапазона измерения, высотой установки или соответствием выходных сигналов 4mA и 20mA. Например, если фактический уровень постоянно на 80mm ниже показания прибора, в первую очередь следует проверить смещение нуля и настройку монтажной базовой плоскости. Если отклонение постепенно увеличивается с повышением уровня, возможной причиной могут быть неверные параметры пропорциональности диапазона, диэлектрической проницаемости среды, компенсации скорости звука или линейного преобразования.

Для резервуаров со значительными колебаниями поверхности, большим количеством пены или высокой концентрацией пара качество сигнала напрямую влияет на стабильность измерений. Ультразвуковые датчики подвержены воздействию температуры, давления, пара и пыли; для радарных датчиков необходимо особенно учитывать конденсацию на антенне, налипание продукта, отражения от мешалки и помехи от стенок резервуара. Поэтому перед калибровкой недостаточно просто корректировать отображаемое значение — сначала следует исключить аномалии эхосигнала на объекте.

Сначала необходимо отличить ошибку монтажа от ошибки датчика

Неправильное место установки является частой причиной отклонений при измерении уровня. Датчик следует по возможности размещать вдали от загрузочных патрубков, лопастей мешалки, змеевиков, лестниц, выступов стенок резервуара и конструкций с сильным отражением. При установке на цилиндрическом резервуаре зонд обычно не следует направлять непосредственно в центр ёмкости и размещать слишком близко к стенке, чтобы избежать попадания многократных эхосигналов в измерительное окно.

Монтажная базовая плоскость должна быть единой. Расстояние радарного или ультразвукового уровнемера обычно рассчитывается от излучающей поверхности датчика, уплотнительной поверхности антенны или торцевой поверхности преобразователя, тогда как ручное измерение на объекте может выполняться от площадки на крыше резервуара, верхней плоскости фланца или дна ёмкости. При несоответствии этих базовых плоскостей постоянное отклонение уровня возникнет даже при нормальной работе датчика.

Персоналу по техническому обслуживанию рекомендуется при остановленном оборудовании или стабильном уровне отдельно фиксировать три контрольные точки: низкий, средний и высокий уровень. Для этих трёх точек необходимо сопоставить результаты ручного измерения с показаниями прибора. Если погрешность в трёх точках близка, можно выполнить корректировку нуля; если погрешности при низком, среднем и высоком уровнях составляют соответственно 20mm, 55mm и 100mm, следует дополнительно проверить расстояние полного диапазона и параметры пропорциональности.

Типичные проявления отклонений и направления проверки

При проверке на объекте сначала следует убедиться в нормальном состоянии напряжения питания, экранирования проводки и заземления. Для уровневых преобразователей с выходом от 4mA до 20mA рекомендуется одновременно считывать значение тока высокоточным мультиметром или калибратором процессов и проверять, соответствует ли 4mA нулевому уровню, а 20mA — заданному полному уровню.

При использовании индикаторного контроллера также необходимо проверить десятичную точку прибора, верхний и нижний пределы диапазона, а также не были ли ошибочно активированы функции извлечения квадратного корня и линейности. Если значение расстояния датчика верно, а значение уровня на вторичном приборе неверно, проблема обычно заключается не в самом уровнемере, а в параметрах преобразования сигнала или настройках инженерных единиц системы управления.

Очистку поверхности радарной антенны или ультразвукового преобразователя следует выполнять после отключения питания и подтверждения технологической безопасности. Для адгезионных сред кристаллические отложения, конденсат и слои пыли могут изменить эффективную излучающую поверхность, что приводит к затуханию эхосигнала. После очистки необходимо вновь проверить кривую эха и убедиться в восстановлении стабильного полезного эхосигнала.

Стандартный метод калибровки радарного уровнемера

Калибровку радарного уровнемера целесообразно выполнять в последовательности: «подтверждение фактически измеренного расстояния, проверка параметров, двухточечная или трёхточечная верификация». Сначала измеряют фактическое вертикальное расстояние от базовой плоскости датчика до дна резервуара и вводят это значение как расстояние до пустого резервуара. Если резервуар имеет коническое дно, слой отложений или технологические мёртвые зоны, в качестве нулевой точки следует использовать фактически измеряемую точку минимального уровня, а не механически применять общую высоту ёмкости.

Затем устанавливают расстояние полного диапазона или высоту полного уровня. Например, для резервуара высотой 8m, если расстояние от базовой плоскости зонда до измеряемой точки минимального уровня составляет 7.80m, а расстояние, соответствующее максимальному рабочему уровню, равно 0.50m, эффективный диапазон измерения составляет 7.30m. Настройка параметров должна основываться на фактическом технологическом диапазоне с сохранением достаточного запаса для мёртвой зоны, чтобы избежать искажения измерений при попадании поверхности жидкости в ближнюю зону антенны.

В процессе калибровки следует просматривать кривую эха или значение интенсивности эхосигнала. В нормальных условиях полезное эхо от поверхности жидкости должно быть значительно выше помеховых эхосигналов и непрерывно перемещаться при изменении уровня. Если в фиксированном месте наблюдается сильный паразитный сигнал, при пустом резервуаре или стабильном низком уровне можно выполнить обучение ложным эхосигналам, однако необходимо избежать ошибочной регистрации реального эха от поверхности жидкости как сигнала помехи.

Основные пункты проверки параметров радара

Диэлектрическая проницаемость среды влияет на способность некоторых радарных уровнемеров распознавать эхосигнал. Для сред с низкой диэлектрической проницаемостью, таких как некоторые нефтепродукты, растворители или лёгкие углеводороды, эхосигнал относительно слабый, поэтому необходимо выбирать подходящие диапазон частот радара, тип антенны и параметры чувствительности. Для электропроводящих жидкостей, растворов на водной основе и большинства кислотных и щелочных сред эхосигнал обычно сильный, однако всё равно следует предотвращать перекрытие антенны налипшим продуктом.

Время демпфирования следует устанавливать с учётом рабочих условий. При стабильном уровне в резервуаре его можно установить от 3 секунд до 10 секунд для повышения стабильности индикации; при необходимости быстрой загрузки и выгрузки демпфирование не следует устанавливать слишком большим, иначе сигнал уровня, получаемый системой управления, будет запаздывать. Демпфирование может лишь сглаживать сигнал и не устраняет фактические ошибки установки или диапазона.

При двухточечной проверке можно выбрать точки примерно на 20% и 80% диапазона. Например, если эффективный диапазон составляет 5m, можно сопоставить результаты ручных измерений вблизи 1m и 4m. Погрешности в двух точках следует удерживать в пределах, допустимых технологическим процессом; при повышенных требованиях на объекте рекомендуется добавить точку 50% диапазона для подтверждения линейности прибора и соответствия преобразования выхода от 4mA до 20mA.

Рекомендации по ведению записей о калибровке радарного уровнемера

При каждой калибровке следует записывать модель оборудования, способ монтажа, наименование среды, температуру среды, высоту резервуара, расстояние до пустого резервуара, расстояние мёртвой зоны и выходной диапазон. Полные записи помогают в дальнейшем определить, вызвано ли отклонение изменением технологических условий, а также сократить повторные настройки, возникающие из-за использования разными специалистами по обслуживанию разных базовых плоскостей.

Для уровневых преобразователей с HART, RS485 или другими функциями цифровой связи помимо проверки местной индикации необходимо также считывать внутреннее значение расстояния, качество эха, коды неисправностей и состояние выходного тока. Если цифровое расстояние верно, а аналоговый ток имеет явное отклонение, основное внимание следует уделить калибровке токового выхода; если неверно само значение расстояния, необходимо вернуться к проверке эха и условий монтажа.

После завершения калибровки следует наблюдать как минимум один полный цикл изменения уровня. Тенденции на этапах заполнения, выдержки и слива должны соответствовать фактическому технологическому процессу; нельзя оценивать соответствие требованиям только в одной статической точке уровня. Для критически важных резервуаров периодичность калибровки рекомендуется устанавливать с учётом налипания среды, частоты эксплуатации оборудования и уровня безопасности; обычно повторную проверку можно проводить каждые 6 месяцев до 12 месяцев.

Основные положения калибровки ультразвукового уровнемера

Точность измерения ультразвукового уровнемера тесно связана с условиями распространения звука в воздухе. Изменение температуры влияет на скорость звука: при нормальной температуре при изменении температуры на 1℃ скорость звука изменяется примерно на 0.6m/s. Для объектов с большим диапазоном измерения или значительной разницей дневной и ночной температур следует убедиться в нормальной работе встроенной температурной компенсации; применимость ультразвукового решения в условиях высокой температуры, отрицательного давления, пара и сильных воздушных потоков необходимо оценивать с осторожностью.

Перед калибровкой необходимо убедиться, что ультразвуковой зонд ориентирован вертикально к поверхности жидкости и монтажный фланец не перекрывает угол излучения звуковой волны. Пространство под зондом должно по возможности обеспечивать свободное прохождение звуковой волны; следует избегать размещения кронштейнов, балок, сигнализаторов уровня или трубопроводов в пределах луча. Для узких и высоких ёмкостей можно применять успокоительную трубу или уровнемерную шахту для снижения влияния колебаний поверхности и отражений от препятствий.

Пена является важным фактором помех при ультразвуковом измерении уровня. Рыхлая пена поглощает звуковые волны, вызывая ослабление эха или занижение показаний; плотная пена может ошибочно распознаваться как реальная поверхность жидкости. Если толщина пены на объекте часто превышает 50mm до 100mm, следует с учётом среды и технологических условий оценить использование радарного уровнемера, гидростатического уровневого преобразователя или других подходящих датчиков.

Настройка пустой высоты и полного диапазона ультразвукового уровнемера

При настройке пустой высоты следует использовать рулетку, лазерный дальномер или проверенный метод ручного измерения для получения фактического расстояния и чётко определить начальную точку измерения. Если зонд установлен внутри удлинительной трубы, необходимо подтвердить, включена ли длина удлинительной трубы в расчёт расстояния прибором. Неровная внутренняя стенка удлинительной трубы или большое количество конденсата также могут создавать ранние отражённые эхосигналы.

Полный диапазон нельзя просто устанавливать равным геометрической высоте ёмкости. Необходимо учитывать ультразвуковую мёртвую зону, максимальный аварийный уровень, риск перелива и доступное технологическое пространство. Как правило, между максимальным уровнем жидкости и излучающей поверхностью зонда необходимо сохранять минимальное расстояние, указанное в руководстве по эксплуатации оборудования, например 300mm, 500mm или больше; конкретное значение должно определяться параметрами модели датчика.

После ввода параметров можно сравнить ручные измерения в трёх точках: низкого, среднего и высокого уровня, а также зафиксировать температуру на объекте. Если при одном и том же уровне наблюдается заметное изменение при большой разнице утренней и вечерней температур, следует проверить, не повреждён ли датчик температурной компенсации, не подвергается ли он прямому солнечному свету и не находится ли под воздействием высокотемпературного пара.

Меры по оптимизации стабильности сигнала

Скорость отклика и параметры фильтрации ультразвукового уровнемера должны соответствовать фактическому изменению поверхности жидкости. Для обычных резервуаров для хранения жидкости можно установить среднее время около 5 секунд; для приямков насосов, подъёмных колодцев и других мест с быстрыми колебаниями уровня время фильтрации следует уменьшить и использовать рациональную логику управления уровнями включения и отключения, чтобы избежать частых пусков и остановок.

При частой потере эхосигнала следует проверить наличие на поверхности зонда капель воды, масляных загрязнений, накипи или пыли. Для очистки используйте мягкую ткань, соответствующую материалу датчика, избегая повреждения поверхности преобразователя твёрдыми предметами. Для оборудования, установленного на открытом воздухе, также необходимо проверить защитный козырёк от дождя, герметичность кабеля и попадание воды в клеммную коробку.

Если в ёмкости постоянно присутствуют пар, сильное отрицательное давление, коррозионные газы или большое количество лёгкой пены, устранить отклонения на длительный срок только калибровкой параметров сложно. В этом случае следует с точки зрения выбора датчика оценить решения с радарным уровнемером, волноводным радаром, гидростатическим уровневым преобразователем и другими устройствами, чтобы принцип измерения соответствовал характеристикам среды на объекте.

Создание прослеживаемой процедуры обслуживания датчиков уровня

Калибровку уровнемеров не следует проводить только после возникновения неисправности. На объекте рекомендуется создать систему периодических осмотров с особым вниманием к состоянию крепления, чистоте антенны или преобразователя, герметичности соединений, стабильности питания, тенденциям отображаемых значений и срабатыванию сигнализации. Для критически важных технологических точек записи об отклонениях датчиков уровня можно включать в паспорт оборудования.

При обслуживании следует различать «калибровку измерения» и «калибровку выхода». Первая используется для корректировки расстояния, пустой высоты, диапазона и распознавания эха; вторая — для проверки точности таких выходных точек, как 4mA, 12mA и 20mA. При использовании резистора 250Ω для связи HART необходимо также убедиться, что нагрузка контура соответствует требованиям связи, чтобы избежать ошибок чтения или записи параметров из-за недостаточных условий контура.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd., ориентируясь на области применения датчиков, может с учётом требований к применению на месте датчиков давления, уровня, расхода, температуры и влажности, а также интеллектуальных цифровых контрольно-измерительных приборов помочь пользователям систематизировать взаимосвязи между базой измерения, выходным сигналом, соответствием рабочим условиям и управляющим взаимодействием. Благодаря стандартизированному подбору, точной установке и регулярной поверке можно снизить влияние отклонений уровня на безопасность производства и управление технологическим процессом.

Приёмка после калибровки и рекомендации по дальнейшим действиям

Приёмка калибровки должна включать как минимум три аспекта: соответствие индикации уровня результатам ручного измерения, соответствие аналогового выхода показаниям системы управления и стабильность тенденции в процессе изменения уровня. Для оборудования с функцией блокировки также необходимо в безопасных условиях проверить уставки сигнализации, такие как предельно высокий и предельно низкий уровень, и подтвердить правильную передачу сигналов тревоги.

Если после многократных регулировок отклонение всё ещё превышает допустимый технологическим процессом диапазон, следует прекратить повторное изменение параметров и заново проверить, охватывает ли диапазон датчика условия объекта, находится ли место установки в зоне помех, соответствует ли среда текущему принципу измерения и надёжна ли базовая точка ручного измерения. При необходимости можно использовать сравнительный прибор для перекрёстной проверки, чтобы избежать калибровки датчика по ошибочному эталонному значению.

При таких проблемах, как неточные показания радарного или ультразвукового уровнемера, колебания сигнала, аномальный выход от 4mA до 20mA, следует подготовить модель оборудования, наименование среды, размеры резервуара, фотографии установки, текущие параметры и данные ручных измерений, а затем обратиться к техническим специалистам Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. для целевого анализа, чтобы как можно скорее определить план калибровки или подходящую конфигурацию датчика.