Выбор радарной антенны: рупорная, линзовая, капельная и с воздушной продувкой для пыли, пара и конденсата

Антенна радарного уровнемера — это физический раскрыв, который излучает и принимает микроволновый сигнал, используемый уровнемером для измерения расстояния до поверхности продукта. В современном радарном уровнемере с частотой 80 ГГц и частотной модуляцией (FMCW) антенна определяет, насколько узко сфокусирован луч, сколько энергии достигает цели и как прибор справляется с пылью, паром, конденсатом и отложениями — поэтому одна и та же электроника может обеспечивать точность ±2 мм и диапазон измерения до 120 м в одной установке и выходить из строя в другой. Антенна — это не аксессуар; это самый влиятельный компонент в контуре измерения. В этом руководстве сравниваются четыре семейства антенн, используемых в промышленных радарных уровнемерах: рупорные, линзовые, стержневые/штыревые и с продувкой воздухом, и объясняется, как выбрать правильную антенну для резервуаров и силосов на химических, цементных, водоочистных и пищевых предприятиях. Для более детального ознакомления с тем, что на самом деле могут измерять современные приборы с частотой 80 ГГц, наши инженеры подробно рассказывают о точности в статье « насколько точен радарный уровнемер с частотой 80 ГГц».

Почему выбор антенны важнее, чем ожидает большинство покупателей

Два преобразователя с одинаковой электроникой и одинаковым программным обеспечением будут измерять совершенно по-разному, если их антенны отличаются. Антенна управляет тремя вещами, которые определяют, будет ли показание уровня стабильным, воспроизводимым и надежным.

Фокусировка сигнала. Энергия радара расходится, покидая антенну, и угол этого расхождения — угол луча — определяется почти полностью размером раскрыва относительно длины волны. На частоте 80 ГГц длина волны составляет всего 3,75 мм, поэтому небольшая антенна может создавать узкий луч, для которого старым радарам с частотами 6 ГГц и 26 ГГц требовался гораздо больший рупор. Сфокусированный луч удерживает энергию на поверхности продукта, а не отражает ее от стенки резервуара, внутренних конструкций, лазов или лестниц, которые создают ложные эхо-сигналы, которые программное обеспечение должно отбрасывать.

Угол луча. Узкие лучи, обычно 3–8° в зависимости от типа антенны, наиболее важны в трех ситуациях: высокие узкие силосы, где стенка находится близко к лучу; резервуары с мешалками, теплообменниками или перегородками, которые создают паразитные отражения; и малые патрубки, где антенна должна проходить через ограниченное отверстие без срезания луча о стенку патрубка. Луч, задевающий патрубок, теряет энергию и создает сильное эхо от самого патрубка. На частоте 80 ГГц угол луча 3° концентрирует большую часть энергии в пятно шириной примерно 0,5 м на расстоянии 10 м, по сравнению с несколькими метрами для низкочастотного прибора с широким лучом.

Устойчивость к конденсату, пыли и отложениям. На любой антенне со временем накапливается конденсат, пыль или продукт. То, насколько этот слой ухудшает измерение, зависит от геометрии и материалов антенны. Заподлицо или слегка наклонные поверхности сбрасывают жидкость; глубокие полости задерживают ее; соединения для продувки удаляют ее активно. Покрытие на поверхности антенны может ослабить сигнал, рассеять его или немного сместить измеренное расстояние — поэтому антенны, которые сбрасывают или активно очищают свою поверхность, стоят гораздо больше, чем их скромная разница в цене, во влажных или запыленных условиях эксплуатации.

Практическое следствие: выбор антенны должен происходить до того, как размер патрубка будет зафиксирован на чертеже резервуара, а не после того, как фланец будет приварен на место. Диаметр патрубка, технологическое соединение и технологические условия, которые вы указываете, определяют, какие типы антенн физически возможны, и это решение влияет на точность, надежность и стоимость обслуживания в течение всего срока службы прибора.

Рупорные антенны: рабочая лошадка радиолокационного измерения уровня

Рупор является стандартной антенной для радиолокационного измерения уровня общего назначения, и не зря: он прочен, прост, недорог и доступен в широком диапазоне размеров и материалов. Рупоры представляют собой полые металлические конусы или параболоиды, которые направляют микроволновую энергию от электроники в емкость. Они бывают двух основных геометрий.

Конические (конусные) рупоры. Классический прямой конус является стандартным исполнением для большинства радиолокационных уровнемеров. Он обеспечивает хороший баланс между углом луча, размером и стоимостью, с типичными углами луча от 8° до примерно 4°, в зависимости от длины и диаметра рупора. Конические рупоры подходят для большинства резервуаров, технологических емкостей и применений с промежуточным уровнем, где патрубок достаточно велик для их установки. Они доступны с различными технологическими присоединениями, наиболее распространенными являются фланцы DN80/DN100 и резьбовые соединения 3 или 4 дюйма, и могут поставляться в футерованном PTFE или цельнометаллическом исполнении для химических сред.

Параболические рупоры. Параболический (тарельчатый) рупор использует изогнутую отражающую поверхность для создания гораздо более узкого луча, чем конический рупор того же диаметра, часто до 3–4°. Более узкий луч обеспечивает более высокую силу сигнала на больших дальностях и лучшую устойчивость к внутренним препятствиям. Оборотная сторона — размер и стоимость: параболические рупоры крупнее, тяжелее и дороже, и обычно требуют большего патрубка. Используйте параболический рупор, когда вам нужна максимальная дальность в большом резервуаре или силосе, или когда внутренние конструкции вынуждают держать луч вдали от стен. Основной 80 ГГц радиолокационный уровнемер от WELK включает как конические, так и параболические рупорные опции, так что одна и та же электроника может быть сопряжена с правильной апертурой для каждого резервуара.

Когда рупор — неправильный выбор. У рупоров есть два недостатка. Во-первых, они выступают внутрь емкости, поэтому при коротком патрубке или низкой крыше резервуара длинный рупор может не поместиться. Во-вторых, открытая внутренняя часть конуса может собирать конденсат или продукт, особенно когда емкость находится под давлением и присутствует пар. Если патрубок мал, зазор до крыши ограничен или процесс влажный, одна из описанных ниже семейств антенн обычно подойдет лучше.

Линзовые антенны: узкие лучи из малых патрубков

Линзовые антенны были разработаны для решения конкретного противоречия: технологи хотели узкие, хорошо сфокусированные лучи, но современные 80 ГГц радары достаточно малы, и пользователи все чаще требуют малые патрубки — а обычный рупор не может создать узкий луч через патрубок 40 мм или 50 мм.

Линзовая антенна использует диэлектрическую линзу, обычно из ПТФЭ, отформованную на поверхности антенны для фокусировки луча так же, как оптическая линза фокусирует свет. Поскольку линза полностью заполняет отверстие патрубка, антенна имеет гладкую герметичную поверхность, которую легко очищать, а эффект фокусировки позволяет антенне малого диаметра достигать угла луча всего 3–4°. Линза также физически отделяет внутреннюю часть антенны от технологического процесса, что защищает электронику от конденсата и коррозии.

Линзовые антенны — лучший выбор для:

• Небольших патрубков от 1,5 дюйма (DN40) до примерно DN80, где рупор с эквивалентными характеристиками луча не поместится;
• Емкостей с высоким давлением или температурой, где герметичная линза обеспечивает лучшую изоляцию от процесса;
• Гигиенических применений на предприятиях пищевой промышленности и производства напитков, где гладкая поверхность из ПТФЭ легко очищается и не оставляет щелей для накопления продукта;
• Случаев, когда необходима короткая антенна из-за ограниченного пространства над крышкой.

Основное ограничение — химическая и механическая прочность. Линзы из ПТФЭ устойчивы к большинству химических веществ, но могут быть повреждены абразивными суспензиями или физическими ударами, а их температурный диапазон ниже, чем у цельнометаллического рупора. Однако для большинства применений в резервуарах и силосах линзовая антенна предлагает наилучшее сочетание малого размера, узкого луча и легкости очистки, поэтому она является стандартным выбором для современных приборов на 80 ГГц.

Штыревые и стержневые антенны: для самых ограниченных монтажных условий

Штыревые антенны, также называемые стержневыми или штыревыми, представляют собой короткие тонкие антенные элементы, выступающие всего на несколько сантиметров внутрь емкости. По сути, это компромисс для установок, где ни рупор, ни линза не подходят: очень маленькие патрубки, очень ограниченное пространство над крышкой или пластиковые и футерованные резервуары, где антенна должна быть короткой.

Стержневая антенна жертвует фокусировкой луча ради компактности. Ее угол луча шире, чем у линзы или рупора того же номинального размера, что означает, что ее лучше всего использовать в резервуарах с достаточным свободным пространством над продуктом и небольшим количеством внутренних препятствий. При соблюдении этих условий штыревая антенна вполне подходит для стандартного измерения уровня, а ее низкий профиль делает ее почти невосприимчивой к скоплению конденсата на поверхности антенны.

Штыревые антенны обычно используются в:

• Открытых резервуарах или резервуарах с низким давлением и небольшими верхними отверстиями;
• IBC-контейнеры, бочки и небольшие технологические емкости, где фланцевая антенна слишком велика;
• Применения с нагревателями или мешалками, которые оставляют очень мало места над максимальным уровнем продукта;
• Ситуации, когда заказчик уже изготовил резервуар, и штуцер просто не может принять что-либо более длинное.

Правило выбора простое: если есть место для рупорной антенны, используйте рупорную; если есть только небольшой штуцер, предпочтительнее линзовая; если нет ни места, ни штуцера, капельная антенна является прагматичным решением. Как и для любой антенны, угол луча должен быть проверен на соответствие геометрии резервуара, потому что широкий луч в узком сосуде создаст отражения от стенок, которые передатчику придется фильтровать.

Антенны с продувкой воздухом: решение для пара, конденсата и налипания

Антенна с продувкой воздухом — это рупорная или линзовая антенна, оснащенная штуцером продувки, через который непрерывный или периодический поток сухого газа — обычно приборного воздуха или азота — подается на поверхность антенны. Газ предотвращает образование конденсата, препятствует оседанию продукта на поверхности, а в некоторых конструкциях создает положительный барьер давления, который не позволяет парам проникать в полость антенны.

Требования к давлению и расходу. Системы продувки просты, но им требуется надежный источник подачи. Типичное рабочее давление на входе продувки составляет 1–3 бар (15–45 фунтов на кв. дюйм), с расходом в диапазоне 2–10 стандартных литров в минуту в зависимости от размера антенны и агрессивности технологических условий. При сильном парообразовании непрерывная продувка с расходом в верхней части диапазона дает наиболее надежный результат; при легкой конденсации достаточно небольшого непрерывного потока или периодической сильной продувки. Поэтому предприятие должно предусмотреть линию приборного воздуха или азота для каждого передатчика с продувкой, что является небольшой стоимостью по сравнению с простоем из-за еженедельной очистки покрытой антенны. WELK радарный уровнемер 80 ГГц со встроенной продувкой воздухом объединяет штуцер продувки в корпусе прибора для удобного подключения.

Где продувка необходима. Продувка воздухом — это не роскошь; часто это разница между работающим измерением и неработающим. Это стандартное решение для:

• Барабаны котлов, паровые барабаны и баки горячей воды, где непрерывно образуется конденсат;
• Реакторы и сосуды, где пары конденсируются на всех холодных поверхностях;
• Липкие или пенящиеся продукты, покрывающие антенну;
• Применения, где оператор не может легко добраться до передатчика, чтобы очистить его.

Для горячих процессов, в частности, продувка должна сочетаться с теплоизолирующей конструкцией, потому что электроника должна оставаться прохладной, даже когда процесс составляет несколько сотен градусов. высокотемпературный радарный уровнемер от WELK разработан именно для такого сочетания пара, тепла и продувки.

Пар и конденсат: что на самом деле происходит с сигналом

Пар часто ошибочно считают убийцей радара. В действительности сухой пар имеет очень низкую диэлектрическую проницаемость и лишь незначительно ослабляет микроволновый сигнал, поэтому радар обычно может видеть сквозь слой пара, если сама антенна остается чистой. Настоящие проблемы — это конденсат и туман.

Когда теплый пар встречается с холодной поверхностью антенны, вода конденсируется в капли. Жидкая вода имеет диэлектрическую проницаемость около 80 — одну из самых высоких среди распространенных веществ, — поэтому пленка воды на поверхности антенны поглощает и рассеивает большую часть передаваемой энергии. В результате получается слабое, зашумленное эхо или, в худшем случае, эхо отсутствует вовсе. Капли также рассеивают сигнал в случайных направлениях, создавая «ложное эхо тумана», которое обслуживающий персонал приписывает радару, хотя виновата влажная линза.

Три контрмеры на уровне антенны решают эту проблему:

1. Наклонные или заподлицо поверхности которые заставляют капли стекать, а не скапливаться;
2. Герметичные конструкции линз которые полностью исключают попадание влаги в полость антенны;
3. Продувка воздухом которая поддерживает поверхность сухой и выше точки росы.

Температура также имеет значение. Если антенне дать остыть, пока сосуд горячий, конденсация неизбежна независимо от типа антенны. При работе с высокой температурой теплоизоляционный участок или удлиненный монтаж поддерживают поверхность антенны ближе к температуре процесса, именно поэтому высокотемпературные радарные уровнемеры оснащаются тепловыми барьерами, а не простыми фланцами.

Пыль и отложения: поддержание чистоты сигнала в силосах

Пыль ведет себя иначе, чем пар, потому что она сухая. Легкий налет пыли на поверхности антенны мало влияет на сигнал — сухие порошки имеют низкую диэлектрическую проницаемость и просто рассеивают небольшую часть энергии. Проблемы появляются, когда пыль становится влажной, когда она накапливается в толстую корку или когда она перекрывает устье антенны.

В цементе, летучей золе, муке, пластиковом порошке и подобных материалах практическим врагом является отложение, а не сама взвешенная пыль. Взвешенная пыль в силосе несколько ослабляет радарный сигнал, но современные 80 ГГц радары уверенно работают в сильно запыленных атмосферах, потому что короткая длина волны и высокая мощность обеспечивают большой запас эхо-сигнала. По этой причине радар теперь является стандартной технологией для измерения уровня в силосах, и радар WELK для силосов большого радиуса действия обеспечивает полный диапазон измерения 120 м, необходимый для высоких цементных и заполнительных силосов.

Три правила определяют работу с пылью:

• Выберите правильный угол луча. В высоком узком силосе узкий луч предотвращает попадание сигнала на стенку и возврат ложного эха, которое выглядит как продукт на промежуточном уровне.
• Расположите антенну вдали от потока заполнения. Входящий поток материала является самым плотным источником пыли и может истирать поверхность антенны. Смещенное или боковое расположение лучше, чем непосредственно под загрузочной трубой.
• Предотвратите образование корки. Если на антенне образуется твердая корка, обычно требуется периодическая продувка воздухом или механическое очистное устройство, поскольку корку гораздо труднее удалить, чем слой пыли.

Для цементных и порошковых заводов следует выбирать антенны с гладким самоочищающимся профилем и, где известно образование корки, с интегрированным соединением для продувки. Специализированный радар для цементного силоса от WELK создан именно для таких условий эксплуатации.

Таблица сравнения антенн

Контрольный список для инженеров завода и снабжения

Пройдите по этим вопросам по порядку, и вы в девяти случаях из десяти выберете правильное семейство антенн.

1. Размер отверстия. Каково наименьшее физическое ограничение, через которое должна пройти антенна? При DN80 и менее обычно требуется линза или капельная антенна; DN80 и более открывает диапазон рупорных антенн.
2. Свободное пространство над крышей. Сколько свободной высоты над максимальным уровнем продукта? Длинные рупоры требуют места; капельные и некоторые линзовые конструкции — нет.
3. Диапазон. На каком расстоянии антенна от самого низкого уровня продукта? При дальности более примерно 30 м предпочтительны параболический рупор или линза с очень узким лучом; при дальности более 70 м используйте прибор, рассчитанный на полный диапазон.
4. Угол луча относительно геометрии резервуара. Рассчитайте расширение луча при минимальном уровне. Если луч касается стенки, внутренних конструкций или потока заполнения, выберите более узкий луч или переместите антенну.
5. Технологическая температура и давление. Высокая температура и высокое давление благоприятствуют герметичным линзовым или продувочным конструкциям с тепловой изоляцией, а не открытым рупорам.
6. Риск образования пара или конденсата. Если процесс горячий и влажный, предусмотрите воздушную продувку и наклонную или заподлицо антенну.
7. Риск пыли или налипания. Сухая пыль управляема; влажная пыль, корки и липкие продукты требуют самоочищающегося профиля и, в худших случаях, продувки.
8. Взрывоопасная зона. Если резервуар находится в классифицированной зоне, выбор антенны взаимодействует с сертификацией прибора, поэтому подтвердите, что передатчик одобрен для данной зоны, прежде чем окончательно определять механическую установку. Взрывозащищенные радарные уровнемеры от WELK охватывают взрывоопасные применения по стандартам ATEX.
9. Доступ для очистки и технического обслуживания. Могут ли операторы добраться до антенны, чтобы очистить её? Если нет, отдайте предпочтение конструкции, не требующей очистки.

Часто задаваемые вопросы

Блокирует ли пар сигнал радарного уровнемера? Сухой пар лишь незначительно ослабляет сигнал, и радар обычно может измерять сквозь него. Настоящая проблема — конденсат, образующийся на поверхности антенны, который поглощает и рассеивает сигнал. Продувка воздухом или наклонная герметичная поверхность антенны предотвращают конденсацию и обеспечивают стабильность измерений.

Какой угол луча мне нужен для узкого силоса? Луч не должен касаться стенок при самом низком уровне продукта. Для высокого узкого силоса выбирайте самый узкий луч, который допускает семейство антенн — обычно 3–4° с линзовой или параболической рупорной антенной на 80 ГГц — и проверьте расчётную ширину луча по диаметру силоса перед покупкой.

Могу ли я использовать радар с небольшим патрубком 2 дюйма? Да. Линзовые антенны рассчитаны на патрубки от примерно 1,5 дюйма (DN40) и выше и обеспечивают узкий луч 3–4° на 80 ГГц, несмотря на малый диаметр. Если патрубок ещё меньше, может подойти опускная антенна, хотя луч будет шире.

Какое давление воздуха требуется для антенны с воздушной продувкой? Обычно 1–3 бар (15–45 фунтов на кв. дюйм) на входе продувки, с расходом примерно 2–10 стандартных литров в минуту в зависимости от размера антенны и условий процесса. При интенсивном паре обычно требуется непрерывная продувка с расходом в верхней части диапазона.

Влияет ли пыль на антенне на точность? Тонкий слой сухой пыли оказывает небольшое влияние, поскольку порошки имеют низкую диэлектрическую проницаемость. Толстые корки, влажный материал или пылевой мост через устье антенны ослабляют сигнал, поэтому для сред, склонных к образованию корки, требуется гладкая самоочищающаяся поверхность и, при необходимости, продувка воздухом.

Подберите правильную антенну для вашего резервуара — обратитесь в WELK

Выбор антенны — это компромисс между размером патрубка, углом луча, диапазоном измерения и технологическими условиями, и неправильный выбор проявляется в ненадежных показаниях, которые обходятся гораздо дороже в простое, чем сама антенна. Отправьте диаметр вашего резервуара, размер патрубка, продукт, температуру, давление и любые известные проблемы с пылью или паром инженерной команде WELK и получите бесплатную рекомендацию по антенне, соответствующую вашему процессу. Имея более 66 моделей радарных уровнемеров — включая конфигурации с рупорной, линзовой, капельной антенной и с продувкой из нашей серии 80 ГГц — а также прямую поддержку с завода от людей, которые производят приборы, вы получите правильное решение с первого раза, подкрепленное контролем качества на уровне производителя и послепродажным обслуживанием.