Nivå fra A til Å 2:16

Robust radar

Radar, eller mikrobølge, er den raskest voksende teknologien for nivåmåling.

Radar nivåmåling blir stadig mer populært.
Radar nivåmåling blir stadig mer populært. (Bilde: Siemens)

Radar, eller mikrobølge, er den raskest voksende teknologien for nivåmåling.

Tar tiden

Distansen, til overflaten av produktet, er proporsjonal med tiden mikrobølgepulsen bruker:

  • Distanse = C * t /2
  • C: lysets hastighet
  • t: brukt tid i sekunder

Instrumentene opererer i frekvensbåndene fra 6 til 26GHz. Dette område er tiltenkt industrielle, tekniske og medisinske applikasjoner (ISM-bånd).

Radarstråling

Den utstrålte høyfrekvensenergien er lav, ca. 0,2 mW, 500 ganger mindre enn en mobiltelefon og 2500 ganger mindre enn lekkasjen gjennom døren fra en mikrobølgeovn.

På grunn av den meget lave strålingen fra måleren, blir det sikre installasjoner i både metall- og plastikktanker, uten fare for mennesker eller omgivelsene.

Det er ikke behov for lisens eller godkjenning.

Nivå fra A til Å

Automatiserings artikkelserie ”Nivå – fra A til Å” dekker nivåmåling i industrielle applikasjoner.

Den er utviklet i tett samarbeid med instrumenteringsleverandøren Endress+Hausers norske spesialister innen nivåmåling, hovedsakelig Frank Berg Halvorsen, Knut Nordrum, Tore Sandvoll og Pål Thorkildsen.

Den er robust overfor temperatur, trykk/vakuum, støv og damp. Men mediet må ha en viss dielektrisk konstant og lite overflateskum for å fungere tilfredsstillende.

Refleksjon fra overflaten

Nivået i en tank eller silo kan bestemmes ved å benytte mikrobølgepulser til berøringsløs måling. I væsker eller faste stoffer blir mikrobølgepulser sendt av og mottatt ved hjelp av en antenne. Det finnes flere typer, blant annet horn-, stav-, planar- eller parabolantenner. Mikrobølge eller radar (Radio Detecting And Ranging) blir også brukt i flyindustrien, båter og militære applikasjoner.

Pulsene har lysets hastighet, og er uavhengig av hvilken som helst dampegenskap. Mikrobølgeprinsippet benytter elektromagnetisk energi, som gir refleksjon fra overflaten av mediet på grunn av en endring av impedans, den dielektriske konstanten til mediet.

Den dielektriske konstanten (Ɛr) må ha en minimumsverdi, vanligvis Ɛr=1,8 hvis det er måling i åpen tank. Men den kan gå helt ned til Ɛr=1,4 hvis måleren blir montert i et føringsrør. Forandringer i den dielektriske konstanten i produktet har ingen innvirkning på målingen, og for ledende medier (over 10mS/cm) er målingen til og med totalt uavhengig av den dielektriske konstanten.

Obs – overflaten!

Kvaliteten til det reflekterte mikrobølgesignalet kan være avhengig av mengde og type skum som er tilstede i en applikasjon. Hvis skummet er ikke-ledende og ikke for tungt, vil signalet forsette å reflektere fra overflaten til væsken. Men hvis skummet er tett og ledende, vil refleksjonen komme fra toppen av selve skummet isteden for fra væsken.

Bruken av omrører i tanken, eller om det er bølger på overflaten av væsken, reduserer amplituden til det reflekterte signalet, og det må sjekkes om signalet fortsatt er over et minimum for sikker måling.

Utvelgelseskriterier

Valg av riktig instrument, for nivåmåling, er avhengig av applikasjonsdata:

  1. Kjemisk motstand, prosesstrykk og antennetemperatur bestemmer flens og antennemateriale.
  2. Ønsket måleområde og prosessbetingelser som dielektrisk konstant Ɛr, bølger eller skum bestemmer størrelse på antennen.
  3. Type tank (dvs. lagrings-, buffer- eller prosesstank) og montering (fri måling, føringsrør/”stilling well” eller by-pass).
  4. Nødvendig nøyaktighet og krav til Ex-godkjenning.

Først velges ønsket måleområde. Deretter sjekkes prosessbetingelsene i forhold til type tank instrumentet skal monteres i: rolig lagertank, buffertank eller en prosesstank med omrører.

Applikasjoner i føringsrør/”stilling well” eller by-pass, blir også sett på som rolige lagertanker og gir maksimum måleområde. En lav dielektrisk konstant Ɛr og eventuelt bølger på overflaten øker signaldempingen. Dette medfører at maksimum måleområde ikke kan velges. Hver eneste instrumenttype har sitt eget applikasjonsark for å matche tanken, monteringen og produktet.

Dielektrisitetskonstanten

Indikeringen B, C og D representerer forskjellige væsker:

  • B: ikke-ledende væske som petrokjemisk produkt med en dielektrisk konstant Ɛr på 1,9 til 4.
  • C: konsentrerte syrer, organiske oppløsninger, alkoholer og aceton med en dielektrisk konstant Ɛr på 4 til 10.
  • D: ledende væsker, vannbaserte oppløsninger og syrer med dielektrisk konstant Ɛr > 10.

De elektromagnetiske pulsene sendes ut ved hjelp av en antenne, som kan ha hornstørrelser fra typisk DN80 (mm) opp til DN250, stavantenner med typiske lengder fra 390 til 540 mm eller parabolantenne. Den syrefaste hornantennen tåler en maksimum temperatur på 400 ºC og 100 Bar trykk (ikke på samme tid), mens stavantennen tåler noe mindre, typisk 150 ºC og 40 Bar.

Antennevalg

Hornantenne er godt egnet:

  1. Når det kan kondensere i antennen.
  2. Dersom monteringshalsen er over 250mm.
  3. For større måleområder.
  4. For høye trykk- og temperaturforhold.
  5. Ved behov for robust installasjon.
  6. For By-pass applikasjoner.
  7. Ved svak refleksjon (lav dielektrisk konstant Ɛr eller svake bølger)

Stavantenne passer best når følgende forhold er tilstede:

  1. Kjemisk motstand (full isolert med PTFE).
  2. Små prosesstilkoblinger.
  3. Smal monteringshals.
  4. Hvis det kan oppstå påbygning inne i monteringshalsen.

Planarantenne er best for følgende applikasjoner:

  1. ”Stilling well”/føringsrør (uavhengig av sveisekanter innvendig, størrelse/utforming av hull).
  2. Behov for høy nøyaktighet (godkjent for kjøp og salg ± 1mm).

Parabolantenne benyttes når følgende egenskaper er viktig:

  1. Smalest mulig strålevinkel.
  2. Størst måleområde.
  3. Høyest sikkerhet for fri måling.
  4. Ved behov for høy nøyaktighet (godkjent for kjøp og salg ± 1mm).

Montering

Hvis det er mulig, skal mikrobølgepulsen komme frem til overflaten uhindret. Alle objekter, som kommer innenfor strålen fra hornet, gir et ekkosignal. Dette blir sterkere jo nærmere objektet man kommer.

Sterke ekko, som ikke kan unngås ved å velge en annen monteringsposisjon, vil være til hinder for målingen. Ekkoet må undertrykkes i kalibreringen av måleren. Dette gjøres ved hjelp av en undertrykkelseskurve, TDT (Time Dependend Treshold).

Siden mikrobølger er polariserte, er det viktig å montere måleren riktig i forhold til tankveggen. Derfor er det alltid et merke på flensen eller gjengene som indikerer punktet som skal monteres i parallell med tankveggen.

Unngå å montere måleren i midten av tanken og hold en minimum avstand på 300 mm fra fittings, påfylling, ringer, rør og selve tankveggen. Transmitteren må monteres vinkelrett i forhold til produktoverflaten.

Tilkopling

Mikrobølge nivåmåleren sløyfemates med 24V DC spenning. Signalutgangen er vanligvis 4-20 mA, men de fleste instrumenter kan leveres med tre forskjellige feltbussgrensesnitt:

  • HART protokoll (digital kommunikasjon overlagret 4..20 mA strømsløyfen).
  • Profibus protokoll.
  • Foundation Fieldbus (FF).

Instrumentene programmeres vanligvis ved hjelp av egne betjeningstaster, håndholdte programmeringsenheter som for eksempel HART Communicator, eller ved å benytte PC/PLS/DCS. For Ex-versjoner leveres egensikre betjeningsdisplay.

Modeller

Det er fire forskjellige mikrobølge nivåmålere:

  1. Standard type, 10mm nøyaktighet med horn og stavantenne for generelle applikasjoner.
  2. En modell for høyere nøyaktighet (+/- 3mm) med små hornantenner.
  3. Planar antenne type for ”stilling well” applikasjoner med 1mm nøyaktighet. For eksempel for bruk til kjøp og salg applikasjoner.
  4. Det samme som punkt 3, men med parabolantenne for fri måling.

Anbefalte applikasjoner

Mikrobølge nivåmålere blir brukt når fordelen til berøringsløs måling er opplagt og prosessbetingelsene er vanskelige.

Som for eksempel høyt trykk, meget lavt trykk (vakuum), høy temperatur eller luftsammensetning. Derfor er mikrobølger ofte brukt i for eksempel kjemisk og petrokjemisk industri og lagringsapplikasjoner.

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå