Как выбрать ультразвуковой или радарный уровнемер при наличии пены на поверхности жидкости

На таких объектах, как очистные сооружения, ферментационные резервуары, емкости с промывочной жидкостью, химические реакторы и бассейны с пульпой при обогащении руды, после появления пены на поверхности жидкости сигнал уровня легко становится нестабильным, скачкообразным или даже полностью пропадает. Частый вопрос операторов: как следует выбирать между ультразвуковыми и радарными уровнемерами для измерения уровня при наличии пены?

Ключевой вопрос заключается не в простом сравнении того, что более современно — «ультразвук» или «радар», а в анализе толщины и плотности пены, диэлектрической проницаемости среды, конструкции резервуара, наличия пара и пыли, а также пространства для монтажа. Разные датчики принимают отраженные сигналы по-разному, поэтому их способность работать со слоем пены существенно различается.

Компания «Сиань Шэнхунчуан Приборы и измерительная техника» на протяжении длительного времени поставляет датчики и преобразователи для промышленных задач измерения и контроля давления, расхода, перемещения, веса, температуры и влажности. Для проектов измерения уровня при наличии пены сначала необходимо оценить рабочие условия, а затем определить подходящее решение: бесконтактный ультразвуковой, радарный или гидростатический преобразователь уровня.

Как правило, рыхлая, тонкая и кратковременно существующая пена оказывает меньшее влияние на некоторые радарные уровнемеры; при непрерывно утолщающейся и плотной пене необходим комплексный подход с использованием волноводного радара, гидростатического датчика уровня или резервного метода измерения. Чем полнее информация об условиях на объекте перед выбором оборудования, тем стабильнее будет последующая эксплуатация.

I. Почему пена мешает измерению уровня

Слой пены изменяет условия распространения и отражения эхо-сигнала

Ультразвуковой уровнемер рассчитывает расстояние, излучая звуковые волны и принимая эхо-сигнал, отраженный от поверхности жидкости. Пена состоит из большого количества пузырьков; после попадания звуковой волны в слой пены происходят поглощение, рассеяние и затухание. В особенности пена толщиной более 50 mm и с относительно рыхлой структурой часто приводит к заметному ослаблению полезного эхо-сигнала.

Радарный уровнемер измеряет расстояние с помощью микроволнового сигнала, а эффективность отражения напрямую связана с диэлектрической проницаемостью среды. Среды на водной основе обычно имеют хорошие условия отражения, однако пена содержит большое количество воздуха, вследствие чего ее общие диэлектрические свойства снижаются. Радарные волны могут создавать эхо-сигналы различной интенсивности от поверхности пены, внутри пены или от фактической поверхности жидкости.

Когда толщина и плотность пены постоянно изменяются, прибор может захватить ошибочный эхо-сигнал, что проявляется в медленном дрейфе показаний уровня, мгновенных скачках или фиксации на определенном значении. Если система управления использует этот сигнал для пуска и остановки насосов, сигнализации переполнения или контроля подачи материала, нестабильность измерения дополнительно влияет на безопасность технологического процесса.

Поэтому при условиях с пеной недостаточно учитывать только ее наличие или отсутствие. Следует также фиксировать среднюю и максимальную толщину пены, продолжительность ее существования, покрывает ли она всю поверхность жидкости, а также такие факторы, как перемешивание, аэрация и распыление. Рекомендуется наблюдать как минимум один полный производственный цикл и при необходимости непрерывно записывать изменения уровня в течение 24 часов до 72 часов.

Распространенные характеристики пены и риски измерения

II. Для каких условий с пеной подходят ультразвуковые уровнемеры

Преимущества и ограничения применения ультразвука

Ультразвуковые уровнемеры отличаются бесконтактным монтажом, относительно простой конструкцией и удобством обслуживания. В резервуарах или бассейнах при нормальной температуре и давлении, сравнительно спокойной поверхности жидкости и небольшом количестве пены они способны удовлетворять обычные потребности мониторинга уровня. Для открытых емкостей с диапазоном измерения около 3 m, 5 m или 10 m при правильном монтаже можно получить хорошие результаты применения.

Однако в условиях с пеной ультразвук не является приоритетным выбором. Звуковой волне требуется достаточно четко выраженная отражающая граница, а при образовании мягкого слоя пены на поверхности жидкости энергия эхо-сигнала рассеивается. При одновременном наличии высокотемпературного пара, конденсата, пыли или сильного воздушного потока расстояние измерения может подвергаться дополнительному влиянию.

Для условий, при которых пена возникает эпизодически и ее толщина обычно не превышает 20 mm至30 mm, стабильность показаний можно улучшить рациональной настройкой времени демпфирования, порога эхо-сигнала и параметров мертвой зоны. Время демпфирования можно устанавливать в соответствии с фактической скоростью изменения уровня; например, для резервуара с медленным изменением уровня можно выбрать время сглаживания сигнала от 5 секунд до 20 секунд.

При монтаже следует избегать зоны над загрузочным отверстием, аэрационной трубой и мешалкой; ось датчика должна быть по возможности перпендикулярна нормальной поверхности жидкости. Для емкостей малого диаметра также необходимо исключить попадание звуковых волн на стенку резервуара или опорные элементы с образованием ложных эхо-сигналов. В пределах мертвой зоны нельзя устанавливать точку контроля верхнего уровня.

Основные моменты оценки ультразвукового решения на объекте

Если на объекте используются преимущественно чистая вода или жидкости низкой вязкости, пена появляется только на этапе загрузки либо кратковременного перемешивания, а технологический процесс допускает определенную задержку индикации, ультразвуковой уровнемер все еще может быть экономичным выбором. В таком случае следует в первую очередь провести пробные измерения на объекте, а не определять модель только по названию среды.

Если на объекте наблюдались внезапные скачки уровня вверх или вниз более чем на 0.2 m, частые аварийные сигналы потери эхо-сигнала либо многократные колебания прибора около одного и того же уровня, необходимо повторно оценить ультразвуковое решение. Продолжение использования только программной фильтрации может лишь смягчить внешние проявления, но не устранит физическую недостаточность эхо-сигнала, вызванную пеной.

Для аварийной сигнализации высокого-высокого уровня, требующей надежной блокировки, рекомендуется не использовать один ультразвуковой прибор как единственное основание. Можно добавить независимый сигнализатор высокого уровня или использовать датчик уровня, основанный на втором принципе измерения, для перекрестной проверки, что снижает риск ложных срабатываний и пропуска аварийных сигналов в условиях пены.

III. Какой радарный уровнемер больше подходит для поверхности с пеной

Бесконтактный радар обычно лучше адаптируется к условиям окружающей среды

По сравнению с ультразвуковыми приборами радарные уровнемеры не зависят от распространения звука в воздухе, поэтому изменения температуры, давления, пара и воздушного потока обычно меньше влияют на результаты измерения расстояния. Для измерения уровня при наличии пара, конденсата, повышенной температуры или в закрытых емкостях радар обычно обладает более стабильной адаптацией.

При наличии легкой тонкой или периодически возникающей пены высокочастотные радары, такие как 80 GHz, обычно имеют более узкий угол луча, что позволяет лучше избегать помех от стенок резервуара, лестниц и внутренних конструкций. Для резервуаров с ограниченным диаметром и компактным монтажным пространством малый угол излучения также способствует повышению способности распознавать полезный эхо-сигнал.

Однако радар не способен напрямую проникать через все виды пены. При низкой диэлектрической проницаемости среды, толстом и плотном слое пены, высоком содержании масла в пене или сильном волнении поверхности жидкости отраженного сигнала от реальной поверхности жидкости также может быть недостаточно. В этом случае необходимо контролировать кривую эхо-сигнала прибора, а не только мгновенное цифровое показание.

При выборе бесконтактного радара необходимо четко определить размер технологического присоединения, материал антенны, классы термостойкости, стойкости к давлению и требования к защите. Распространенные варианты выхода 4 mA至20 mA, связи RS485 или промышленной шины должны соответствовать существующим PLC, DCS и логике сигнализации, чтобы избежать ситуации, когда прибор выбран правильно, но его интеграция в систему выполнена неполно.

Дополнительная ценность волноводного радара и гидростатических датчиков уровня

Если толщина пены длительное время превышает 100 mm и требуется измерять фактический уровень жидкости, волноводный радар обычно заслуживает особого внимания. Волноводный радар передает электромагнитные волны вдоль зонда или троса, концентрируя энергию вблизи волноводной конструкции. По сравнению с бесконтактным радаром, распространяющимся в свободном пространстве, он более целенаправленно работает со сложными слоями пены.

Для условий со стабильной плотностью среды и возможностью монтажа на дне резервуара практичным вариантом также являются погружные или фланцевые гидростатические преобразователи уровня. Гидростатическое измерение преобразует давление столба жидкости в уровень и теоретически не принимает верхнюю поверхность пены за реальный уровень жидкости, однако необходимо учитывать изменения плотности, кристаллизацию, засорение и коррозию.

В производственных линиях с коррозионными, адгезивными средами или санитарными требованиями также имеют важное значение материал деталей, контактирующих со средой, и конструкция мембраны датчика. Применимость таких материалов, как нержавеющая сталь 316L и PTFE, следует подтверждать с учетом состава среды, температуры и метода очистки; нельзя принимать решение только на основе обычного опыта работы с водными средами.

Для критически важных резервуаров можно использовать комбинацию «непрерывное измерение радаром + сигнализация независимым выключателем уровня». Непрерывный уровень применяется для управления процессом, а независимые точки сигнализации — для защитной блокировки. При использовании двух измерительных узлов с разными принципами измерения достигается лучшее разделение рисков влияния пены на один датчик.

IV. Практические шаги по выбору и монтажу уровнемеров для условий с пеной

Сначала соберите параметры, затем определите решение с датчиком

На первом этапе необходимо подтвердить диапазон измерения и высоту монтажа. Например, если фактический диапазон уровня составляет от 0 m до 6 m, диапазон прибора нельзя выбирать только по значению 6 m; следует также предусмотреть монтажную мертвую зону и запас безопасности. Для бесконтактных приборов с верхним монтажом необходимо определить максимальное расстояние от датчика до минимального уровня, а также выяснить, не войдет ли максимальный уровень в мертвую зону.

На втором этапе следует зафиксировать состояние пены, включая ее толщину, продолжительность существования, образуется ли она вследствие аэрации, содержит ли масло или поверхностно-активные вещества. Если толщина пены менее 30 mm и она возникает периодически, можно в первую очередь оценить бесконтактный радар; если пена длительное время превышает 100 mm, в сравнение следует включить волноводный радар или гидростатический преобразователь уровня.

На третьем этапе необходимо подтвердить температуру, давление, вязкость, плотность, коррозионность среды и класс взрывозащиты. Условия высокой температуры, высокого давления, пожаро- и взрывоопасности либо сильной коррозии предъявляют более высокие требования к антенне датчика, технологическому присоединению, уплотнительной конструкции и электрической защите; нельзя использовать конфигурацию обычного резервуара для хранения воды.

На четвертом этапе необходимо определить точность управления. Если требуется только предотвращение переполнения или индикация низкого уровня, допускаются определенные колебания; если прибор используется для дозирования, учета или управления реакцией, требуется более высокая стабильность. Предварительное указание допустимой погрешности, времени отклика и точек сигнализации в требованиях позволит избежать ситуации, когда последующая многократная корректировка параметров все равно не обеспечивает выполнение технологических требований.

Монтаж и наладка определяют конечный результат измерения

Радарный или ультразвуковой датчик следует устанавливать в месте с относительно спокойной поверхностью жидкости, избегая зоны удара при загрузке материала и выпускного отверстия. Для круглых резервуаров точку монтажа обычно не следует располагать строго напротив центра и слишком близко к стенке; конкретное положение необходимо определять с учетом угла луча антенны, диаметра резервуара и внутренних конструкций.

На этапе наладки рекомендуется отдельно сверять фактические значения при низком, среднем и высоком уровнях, а также наблюдать изменение эхо-сигнала до и после появления пены. Только после непрерывной работы не менее 24 часов следует подтверждать диапазон, соответствующий 4 mA и 20 mA, пороги сигнализации, время демпфирования и логику аварийного выхода, чтобы не завершать приемку только в статическом состоянии.

Для волноводных радаров и гидростатических датчиков уровня необходимо создать механизм регулярной проверки. Отложения на поверхности волноводного зонда, покрытие погружного датчика посторонними материалами, засорение отверстия для передачи давления и другие факторы могут привести к отклонению долгосрочных измерений от фактических значений. Периодичность обслуживания можно установить на 1 месяц, 3 месяца или 6 месяцев в зависимости от чистоты среды.

Компания «Сиань Шэнхунчуан Приборы и измерительная техника» рекомендует пользователям до закупки предоставить размеры емкости, наименование среды, диапазон температуры и давления, фотографии или видео пены, характеристики существующего монтажного патрубка и требования к управляющему сигналу. На основе этих фактических данных об условиях эксплуатации можно точнее подобрать решение с датчиками уровня, преобразователями уровня и сопутствующими цифровыми индикаторами и контроллерами.

V. Заключение: не следует выбирать только между «ультразвуком или радаром»

Для обычных измерений уровня без пены или с очень небольшим количеством пены ультразвуковые уровнемеры обладают хорошей практической применимостью; для условий с паром, закрытой средой, тонким слоем пены или ограниченным монтажным пространством бесконтактные радарные уровнемеры обычно имеют больше преимуществ.

Если пена существует длительное время, имеет большую толщину и высокую плотность, а технологический процесс требует определения фактической поверхности жидкости, следует уделить особое внимание сравнению волноводного радара и гидростатического преобразователя уровня. Для важных точек управления двойное измерение на основе разных принципов часто надежнее, чем простое повышение параметров одного типа прибора.

Ключ к стабильности измерения уровня заключается в соответствии принципа работы датчика физическим условиям на объекте. Только при полном учете пены, характеристик среды, конструкции емкости и требований управления можно сократить колебания, ложные аварийные сигналы и затраты на обслуживание, обеспечивая непрерывную работу производственного процесса.

Если в вашем резервуаре, реакторе или емкости имеется проблема пены на поверхности жидкости, вы можете подготовить информацию о диапазоне измерения, среде, температуре и давлении, толщине пены и условиях монтажа, а затем связаться с компанией «Сиань Шэнхунчуан Приборы и измерительная техника» для оценки рабочих условий и получения рекомендаций по подбору датчика уровня, более соответствующего требованиям объекта.