Detekcja końca sondy w radarach falowodowych

Detekcja końca sondy w radarach falowodowych

Detekcja końca sondy
w radarach falowodowych
Technika pomiarów poziomu za pomocą
radarów falowodowych zwielokrotnia
swoją skuteczność, jeżeli przyrządy
pomiarowe wykorzystują
algorytm detekcji końca sondy
(ang. End-of-Probe Algorithm, EoP).
W szczególności gdy z różnych przyczyn
technologicznych okresowo zanika
sygnał wysokiej częstotliwości, odbity
od powierzchni medium mierzonego,
algorytm ten pozwala zachować ciągłość
pomiaru poziomu, gwarantując jego
najwyższą niezawodność i wiarygodność.
Zasada działania
Wykorzystując pomiar czasu przelotu fali elektromagnetycznej do określania poziomu medium, algorytm detekcji
końca sondy śledzi i na bieżąco analizuje widmo sygnału wysyłanego i odbitego
od powierzchni medium. Impuls elektromagnetyczny jest emitowany przez nadajnik, znajdujący się w pobliżu przyłącza technologicznego i prowadzony
wzdłuż falowodu. Kiedy czoło fali natrafia na nieciągłość ośrodka propagacji (różnicę stałych dielektrycznych), następuje częściowe odbicie sygnału i jego
powrót wzdłuż sondy do odbiornika. Odległość, dzieląca nadajnik od powierzchni medium, jest obliczana przez pomnożenie połowy czasu propagacji impulsu
elektromagnetycznego przez jej prędkość. Poziom medium jest uzyskiwany na podstawie obliczonej odległości
i zmierzonej wcześniej długości falowodu. Wiadomo jednakże, że istnieje porcja sygnału, która nie uległa odbiciu od
powierzchni medium i jest prowadzona wzdłuż części falowodu, zanurzonej
w medium, po czym odbija się od jego
końca. W tym przypadku prędkość propagacji fali zmienia się, gdyż ośrodek ma inną impedancję falową od próżni, powietrza
lub gazów nad powierzchnią cieczy.
Jakich informacji dodatkowych dostarcza sygnał odbity od końca falowodu
i jak można je wykorzystać w warunkach
pracy obiektowej?
Zagadka opóźnionego powrotu
Każde medium mierzone, spotykane
na co dzień na instalacjach technologicz-
66  NR 4  KWIECIEŃ 2007 R.
nych, posiada impedancję falową, opisaną ilościowo przez parametr stałej dielektrycznej. Jest ona równa 1 dla próżni,
względem której są podawane wartości
dla innych mediów. Fala elektromagnetyczna rozchodzi się w próżni z prędkością światła. Prędkość ta spada w innych ośrodkach propagacji, im większe
są wartości ich stałych dielektrycznych.
Węglowodory (LPG, diesel itd.) mają
niskie wartości stałych dielektrycznych,
zwykle w pobliżu 2. Jednak wciąż jest
to o 100% więcej od wartości dla próżni. Roztwory wodne substancji chemicznych mają z reguły stałą dielektryczną
powyżej 5, co powoduje już znaczący
spadek prędkości propagacji fali elektromagnetycznej.
Emisja sygnału wysokiej częstotliwości wzdłuż falowodu zanurzonego
w medium jest realizowana w oczekiwaniu, że prawie cała jego energia powró-
ci w skończonym czasie do odbiornika.
I rzeczywiście tak się dzieje. Jednak widmo sygnału pozwala zaobserwować echo
odbite od powierzchni medium o znanej
stałej dielektrycznej oraz część sygnału,
która uległa odbiciu od końca falowodu.
Ta porcja energii powraca do odbiornika nieco później, ponieważ sygnał miał
do pokonania dodatkowo inny ośrodek
propagacji w postaci medium mierzonego. Można matematycznie i empirycznie
dowieść, że odnotowane opóźnienie jest
proporcjonalne do poziomu medium oraz
do jego stałej dielektrycznej.
Algorytm detekcji końca sondy
Opóźnienie w czasie pomiędzy powrotem sygnału odbitego od powierzchni medium i od końca falowodu jest kluczowym parametrem, wykorzystywanym
w radarach falowodowych Levelflex M
do unikatowego w tej klasie przyrządów,
bieżącego określania stałej dielektrycznej medium w warunkach normalnej pracy przyrządu (dwu- lub czterokrotnie na
sekundę). Czynność ta jest niezauważalna dla użytkownika przyrządu do chwili, gdy z przyczyn technologicznych,
wodowych, są mniej dokładne i wymagają rekalibracji, gdyż nie potrafią wykrywać zmian stałej dielektrycznej medium mierzonego.
jak np. intensywne zapylenie od zasypu
pneumatycznego, niekorzystne zjawiska
na powierzchni cieczy (turbulencje, zawirowania od pracy mieszadeł, zalew od
góry zbiornika itd.), echo użyteczne od
powierzchni medium mierzonego zanika. Wówczas typowy, bezkontaktowy
przetwornik ultradźwiękowy lub radarowy zgłosi błąd utraty echa i brak wiarygodności pomiaru. W odróżnieniu, radar
falowodowy Levelflex M będzie nadal
mierzył poziom medium poprawnie, ponieważ dysponuje obliczoną wcześniej
wartością stałej dielektrycznej i informacją o zależności od niej
poziomu medium. Jest to
gwarancja poprawności pomiaru i zachowania ciągłości sterowania w trudnych warunkach procesu
technologicznego. Algorytm detekcji końca sondy jest chroniony prawnie
patentem i stosowany wyłącznie w radarach falowodowych Levelflex M.
Warto dodać, że w praktyce stała dielektryczna
produktu nigdy nie jest
jednakowa. Jej zmiany są
powodowane wahaniami
temperatury, wilgotności,
a nawet ciśnienia. Stąd pojemnościowe sondy poziomu, stosowane jako tańsze
zamienniki radarów falo-
Zastosowanie radarów falowodowych
Radary falowodowe Endress+Hauser Levelflex M są indywidualnie dostosowywane do warunków technologicznych. Najczęściej wykorzystuje się je jako sprawdzone, ekonomiczne zamienniki
nurników lub pływaków, wymagających
kosztownego nadzoru i utrzymania w ruchu. Przetworniki Levelflex M są dostarczane z dokumentacją potwierdzającą
podwyższony poziom nienaruszalności
bezpieczeństwa i zgodność z zaleceniami IEC61508/SIL2. Dzięki temu zarówno w fazie projektu instalacji, jak również w trakcie jej eksploatacji można ilościowo określić ryzyko awarii i dokonać jego obniżenia do wartości tolerowanej. Unikatowa detekcja końca sondy ma kluczowe znaczenie w aplikacjach
krytycznych, w których zadanie nadrzędne to zachowanie ciągłości pomiaru, sterowania lub bezpieczne odcięcie
dla wykluczenia sytuacji niebezpiecznej
grożącej awarią. Radary Levelflex M,
z dynamiczną kompensacją stałej dielektrycznej fazy lotnej w naczyniu, pozwalają na rzetelne opomiarowanie mediów
w wysokich temperaturach i ciśnieniach
roboczych m.in. w energetyce (np. poziom
w walczaku) oraz w przemyśle petrochemicznym lub rafineriach (np. poziom frakcji węglowodorów, gazy skroplone w aparatach wysokociśnieniowych). Konstrukcja całkowicie spawana (bez elastomerów
w procesie), dwie linie obrony przed
wydostaniem się medium z procesu
(w strukturze wewnętrznej dławiki gazoszczelne: ceramiczny i szklany oraz ceramiczna komora pośrednicząca), jak również obudowa IP68 z oddzielnym przedziałem połączeniowym to podstawowe
elementy zabezpieczeń konstrukcyjnych.

http://www.pl.endress.com/poziom
NR 4  KWIECIEŃ 2007 R. 
67