Файл: Радарный уровнемер.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

Кафедра Оборудования и автоматизации химических производств
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Технические измерения и приборы»
Тема: Радарный уровнемер

Выполнил:

студент гр._______________

_________________________


Проверил

Преподаватель
________________________

Пермь 2023

Задание на курсовую работу

«Радарный уровнемер»
Курсовая работа должна содержать:

Введение

Основная часть

1. Подробное описание метода, лежащего в основе измерения;

2. Область возможного применения метода и ограничения на его применение;

3. Методику расчета места и типа монтажа средства измерения, реализующего данный метод;

4. Пример средства измерения, реализующего данный метод;

4.1. Описание средства измерения и его характеристик;

4.2. Описание заказного кода, пример опросного листа;

4.3. Пример метрологического расчета измерительного канала;

4.4. Описание монтажа и подключения средства измерения (включая соответствующие чертежи).

Заключение

Список литературы

Приложения
Индивидуальное задание: _______________________________________
Срок сдачи курсовой работы: ___________2023 г.
Задание принято к исполнению 27.02.2023 г. ____________ / _____________ /

(подпись студента) (Ф.И.О. студент

Содержание

Введение

---

В настоящее время в промышленности реализовано немного методов контроля уровня, позволяющих получать точную и достоверную и информацию. Некоторые из них достаточно уникальны и применение их довольно редко, другие – универсальны и часто используются в серийных системах. Радарный метод измерения сочетает в себе универсальность и качество. Преимущества радарного метода измерения бесспорны, поэтому можно дать прогноз о его дальнейшем широком распространении радарных уровнемеров в ближайшее время. Этот метод уже широко применяется в промышленности: химической, нефтяной, фармацевтической и пищевой. Давление, температура и рабочая среда существенно не влияют на микроволны, причем и давление, и температура могут иметь значения, недопустимые для применения других методов, первоочередных - контактных. Опыт и разработки, полученные специалистами в использовании принципа, в основе, которого лежит прохождения микроволновых импульсов, привел к созданию большого разнообразия радарных уровнемеров.

В данной курсовой работе рассмотрены вопросы, связанные с радарными уровнемерами: принцип действия, область применения, особенности монтажа и подключения.

1. Принцип действия радарных уровнемеров. Их разновидности

Принцип действия уровнемеров радарного типа - это измерение времени распространения радиоволны от антенны уровнемера до поверхности продукта, уровень которого измеряется.

Наиболее простым можно считается импульсный метод, основой которого является измерение времени запаздывания принятого импульса относительно излученного. Технические трудности реализации этого метода изложены ниже.

Первое, излучаемый импульс должен быть достаточно коротким, чтобы закончиться раньше, чем в антенну поступит отраженный импульс, то есть иметь длительность в единицы наносекунд и менее, что реализовать достаточно сложно.

Второе, излучаемый радиоимпульс должен иметь достаточно большую мощность, чтобы обеспечить требуемое соотношение сигнал - шум в принятом сигнале, а это накладывает серьезные требования к излучающему элементу, особенно при больших диапазонах измерения уровня и низких отражательных способностях продукта.

Третье, задача высокоточного измерения наносекундных временных интервалов между излученным и принятым импульсом технически в решении непроста.

---

На основании вышеизложенных факторов, импульсные методы применяются лишь там, где отражательная способность продукта сравнительно высока и не требуется высокая точность, а соответственно, не нашли широкого распространения при решении задач по высокоточному измерению уровня. 

Более широкое распространение для высокоточных измерений получили радарные уровнемеры, использующие непрерывное модулированное по частоте радиоизлучение (FMCW). Принцип действия такого уровнемера заключается
в следующем.

Микроволновый генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону – линейный частотно-модулированный сигнал. Этот сигнал излучается в направлении продукта, отражается от него, и часть сигнала через определенное время, зависящее
от скорости света и расстояния, возвращается обратно в антенну. Отраженный
и излученный сигналы смешиваются в датчике уровня, и в результате образуется сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигналов F и, соответственно, расстоянию от антенны до измеряемого продукта. В дальнейшем обработка сигнала выполняется микропроцессорной системой датчика уровня
и заключается в определении частоты результирующего сигнала и пересчете
ее значения в значение уровня наполнения резервуара.



Рисунок 1.1. Принцип действия радарного уровнемера
Основные параметры радарного уровнемера: точность, чувствительность, быстродействие, простой монтаж, цена.

Основные узлы радарного уровнемера: антенна, приемопередающий (СВЧ) блок, сигнальный процессор, контроллер коммуникации. 

Антенна. Функция антенны - это формирование радиолуча. Радиолуч, если он распространяется в открытом, не ограничивающем его пространстве, представляет собой конус, вершина которого совпадает с основанием антенны. Ширина конуса (угол раскрыва) обратно пропорциональна диаметру антенны и обратно пропорциональна частоте излучения. То есть требуемую ширину луча, гарантирующую свободное, не задевающее стенки резервуара распространение радиолуча, можно обеспечить или увеличением частоты излучения, или увеличением габаритов антенны. А при одной и той же ширине луча габариты антенны более высокочастотного радарного уровнемера будут во столько раз меньше, во сколько раз его частота выше, чем у радарного уровнемера с меньшей частотой излучения. На рисунке 1.2, где в масштабе показаны уровнемер УЛМ-11, работающий на частоте более 90 (девяносто) ГГц и имеющий ширину луча 4°, антенна которого из-за малых габаритов не выходит за контуры корпуса, и гипотетический радарный уровнемер с такой же шириной луча, но работающий на частоте 10 (десять) ГГц.

---

Для обеспечения высокой точности измерения необходимо высокое отношение сигнал - шум на входе уровнемера (как правило, не менее 20 (двадцати) дб), а это отношение при одной и той же мощности излучения и коэффициенте шума приемника тем больше, чем уже радиолуч. Уменьшение же ширины луча, как было показано выше, может быть достигнуто или за счет увеличения габаритов антенны, или за счет повышения частоты излучения.


Рисунок 1.2. Сравнение габаритных размеров
Один из важных факторов - влияние размеров и вида антенны на точность измерения, который не всегда учитывают при выборе уровнемера. Это влияние выпадения конденсата на поверхность антенны. Скорость распространения радиоволны через конденсат резко отличается от скорости распространения
в открытом пространстве. Поэтому выпадение конденсата всегда ведет
к дополнительной погрешности, величина которой может достигать нескольких миллиметров. Поэтому при выборе уровнемеров радарного типа, когда необходимы высокоточные измерения, надо выбирать уровнемеры, у которых возможность выпадения конденсата на антенне меньше.

Выпадению конденсата подвержены поверхности, температура которых ниже, чем температура среды. Поэтому, если температура антенны радарного уровнемера, установленного на крыше резервуара, будет ниже, чем температура паров продукта, то конденсат, безусловно, выпадет на поверхность антенны и как следствие приведет к дополнительной погрешности. Избежать этого частично или полностью можно, если обогреть антенну (при условии, что антенна небольших размеров).

Уровнемеры радарного типа, работающие на высокочастотном излучении, позволяют из-за малых габаритов антенны расположить последнюю непосредственно в корпусе уровнемера и для подогрева антенны использовать тепло, выделяемое аппаратурой уровнемера, а также дополнительные нагревательные элементы, расположенные внутри взрывозащищенного корпуса. Например, уровнемер УЛМ-11. Поверхность его антенны всегда теплее паров, и поэтому выпадение конденсата минимально.

На рисунке 1.3 показан уровнемер УЛМ4-5 с микрополосковой антенной, работающий в см-диапазоне.

---

Эксплуатация радарных уровнемеров для измерения уровня мазута в резервуарах с подогревом на различных ТЭЦ и ГРЭС полностью подтвердило это преимущество высокочастотных радарных уровнемеров.



Рисунок 1.3. Датчик уровня УЛМ4-5

Влияние на точности измерения отдельных параметров СВЧ - блока.
На точность измерения влияет отношение сигнал - шум на входе уровнемера. На это отношение влияют мощность излучения и чувствительность (коэффициент шума) приемника. Понятно, что повышать мощность излучения беспредельно нельзя
из соображений техники безопасности, надежности и взрывобезопасности.
Как правило, излучаемая мощность уровнемеров радарного типа не превышает 10-х долей милливатт. Чувствительность приемника (коэффициент шума) определяется шумовыми параметрами входных элементов и лежит в пределах
8 (восемь) – 12 (двенадцать) дб. Следующим важнейшим параметром приемопередающего блока является девиация частоты излучения (рисунок 1.1), то есть диапазон изменения частоты излучения в процессе измерения. Из теории измерения расстояния FMCW методом известно, что чем выше девиация частоты, тем выше разрешающая способность и точность измерения расстояния (в данном случае уровня). Однако стремление увеличить девиацию частоты наталкивается на техническую сложность обеспечения широкодиапазонности приемопередающего блока. Причем эта сложность тем больше, чем больше отношение девиации к несущей частоте.

Для достижения высокой точности измерения необходимо также обеспечить очень высокую линейность изменения частоты излучения в процессе измерения.
В связи с появлением высокоточных синтезаторов частоты, управляемых процессором, решение этой проблемы не представляет большой сложности.

Из всего ранее изложенного следует, что чем выше частота, на которой работает приемопередающий блок, тем выше потенциальные возможности уровнемера по точности и чувствительности. Однако приемопередающий блок является сложнейшим радиоэлектронным оборудованием, как с точки зрения изготовления, так и с точки зрения проектирования. Причем сложность разработки и производства таких блоков существенно возрастает с ростом частоты. Приемопередающие блоки, работающие на частотах
6 (шесть) – 24 (двадцать четыре) ГГц, выполняются, как правило, по микрополосковой технологии, причем чем выше частота, тем выше требования к технологии в связи с меньшими размерами микрополосковых элементов. Приемопередающие же блоки, работающие на частотах выше 30 (тридцать) ГГц, могут быть выполнены по комбинированной микрополосково-волноводной технологии, что существенно сложнее и дороже микрополосковой технологии. Так же следует отметить, что с ростом частоты существенно растут затраты на измерительное оборудование, используемое при производстве, настройке и испытаниях. Таким образом, за более высокие технические характеристики высокочастотных приемопередающих блоков приходится платить удорожанием этих блоков и, как следствие, удорожанием уровнемеров в целом. 

---