СКАЧАТЬ:  kursovaya-2.zip [915,21 Kb] (cкачиваний: 187)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Технические измерения и приборы»

на тему: «Радарный уровнемер VEGAPULS 62»

содержание

содержание. 2

Введение. 3

технологическая часть. 5

техническая часть. 10

расчётная часть. 16

Выводы.. 20

список литературы.. 21

приложение. 22

Введение

Уровнемеры - это устройства, предназначенные для определения уровня содержимого в открытых и закрытых резервуарах. Под содержимым подразумеваются практически любые виды жидкостей, в том числе и газообразующих, а также сыпучие и другие материалы. Уровнемеры так же называют датчиками или сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня – это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

В промышленном производстве в настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах.

Уровнемеры могут применяться как самостоятельные устройства, так и в составе системы автоматического управления и/или контроля.

В зависимости от среды, которая может и довольно часто и бывает агрессивной и от того, какая необходима точность измерений, выбор уровнемера в основном производится из нескольких вариантов:

1)                Классические типы уровнемеров, которые используют для расчёта уровня тело, погруженное на поверхность измеряемой жидкости. К ним относятся поплавковые и буйковые уровнемеры.

2)                Ультразвуковые уровнемеры. Подобный тип уровнемеров отличается повышенной надёжностью в эксплуатации и сравнительно небольшой стоимостью. Благодаря этим качествам подобные уровнемеры получили достаточно широкое применение во многих областях задач измерения уровня, где применение поплавковых и буйковых уровнемеров не представляется возможным.

3)                Радарные уровнемеры – это наиболее современный тип уровнемеров, принцип действия которых основан на измерении времени переотражения высокочастотных радиоволн. Подобный способ измерения позволяет добиться наиболее высокой точности измерений и независимости от состава и характеристик измеряемой среды. Радарные уровнемеры обладают повышенной чувствительностью, что позволят измерять небольшие изменения уровня. [2]

С развитием измерительной техники, каждый метод приобретает характерный набор своих технических реализаций, которые в каждом конкретном случае имеют как преимущества, так и недостатки. По сути, выбор современных уровнемеров сводится к выбору из представленных выше трёх типов. Буйковые и поплавковые уровнемеры имеет смысл применять в стационарных резервуарах для измерения уровня неагрессивных сред, ультразвуковые уровнемеры – для измерения уровня в резервуарах при отсутствии излишней запылённости и при однородном характере среды, а радарные уровнемеры – во всех остальных случаях.

технологическая часть

Принцип действия всех известных радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения радиоволны от антенны уровнемера до поверхности продукта, уровень которого измеряется, и обратно.

Наиболее простым с точки зрения реализации на первый взгляд выглядит импульсный метод, заключающийся в измерении времени запаздывания принятого импульса относительно излученного. Однако при ближайшем рассмотрении очевидны технические трудности реализации этого метода.

Во-первых, излучаемый импульс должен быть достаточно коротким, чтобы закончиться раньше, чем в антенну поступит отраженный импульс, т.е. иметь длительность в единицы наносекунд и менее, что реализовать не так просто. Во-вторых, излучаемый радиоимпульс должен иметь достаточно большую мощность, чтобы обеспечить требуемое отношение сигнал/шум в принятом сигнале, а это накладывает серьезные требования к излучающему элементу, особенно при больших диапазонах измерения уровня и низких отражательных способностях продукта. В-третьих, задача высокоточного измерения наносекундных временных интервалов между излученным и принятым импульсами технически непроста в решении.

В силу перечисленных факторов импульсные методы не нашли широкого распространения при решении задач по высокоточному измерению уровня и применяются лишь там, где отражательная способность продукта сравнительно высока, диапазон измеряемых уровней не так велик, и не требуется высокая точность.

Более широкое распространение получили радарные уровнемеры, использующие непрерывное модулированное по частоте радиоизлучение (FMCW). Принцип действия такого уровнемера заключается в следующем (рис. 1).

Рис. 1. Принцип действия радарных уровнемеров

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. Излученный и отраженный 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. Дальнейшая обработка сигнала осуществляется микропроцессорной системой датчика уровня.

Все радарные уровнемеры состоят из следующих основных узлов: антенны, приемопередающего (СВЧ) блока, сигнального процессора, контроллера коммуникации.

Задачей антенны является формирование радиолуча. Радиолуч, если он распространяется в открытом, не ограничивающем его пространстве, представляет собой конус, вершина которого совпадает с основанием антенны. Ширина этого конуса (угол раскрыва) обратно пропорциональна апертуре (диаметру) антенны и обратно пропорциональна частоте излучения (это правило является фундаментальным и не зависит от типа антенны). Другими словами, требуемую ширину луча, гарантирующую свободное, не задевающее стенки резервуара распространение радиолуча, можно обеспечить или увеличением частоты излучения, или увеличением габаритов антенны.

Влияют ли параметры антенны на точность измерения? Да, влияют. Дело в том, что для обеспечения высокой точности измерения необходимо высокое отношение сигнал/шум на входе уровнемера (как правило, не менее 20 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.

Следует отметить еще один важный фактор влияния вида и размеров антенны на точность измерения, который не всегда учитывают при выборе уровнемера. Это влияние выпадения конденсата на поверхность антенны. Как бы ни заверяли покупателей некоторые производители радарных уровнемеров, что выпадение конденсата на точность их уровнемера не влияет, – это не так. Скорость распространения радиоволны через конденсат резко отличается от скорости распространения в открытом пространстве. Поэтому выпадение конденсата всегда ведёт к дополнительной погрешности, величина которой может достигать нескольких миллиметров. Поэтому при выборе радарных уровнемеров, когда требуется высокая точность измерений, надо в первую очередь обратить внимание на уровнемеры, у которых возможность выпадения конденсата на антенне меньше.

Из физики известно, что 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 неизбежно выпадет на поверхность антенны и приведет к дополнительной погрешности. Избежать этого частично или полностью можно, обогревая антенну. Однако если антенна имеет большие размеры, реализовать это с учетом требований взрывозащиты практически невозможно.

Радарные уровнемеры, работающие на высоких частотах излучения, 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.

Важнейшим узлом радарного уровнемера является приемопередающий (СВЧ) блок. Именно этот узел определяет весь комплекс характеристик радарного уровнемера от точности до стоимости.

Рассмотрим, как влияют на точность измерения отдельные параметры СВЧ-блока. Как было показано выше, на точность измерения влияет отношение сигнал/шум на входе уровнемера. На это отношение влияют мощность излучения и чувствительность (коэффициент шума) приемника. Очевидно, что повышать мощность излучения беспредельно нельзя из соображений техники безопасности, взрывобезопасности и надежности. Как правило, излучаемая мощность радарных уровнемеров не превышает десятых долей милливатт. Чувствительность приемника (коэффициент шума) определяется, как правило, шумовыми параметрами входных элементов. Следующим важнейшим параметром приемопередающего блока является девиация частоты излучения (рис. 1) или, другими словами, 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 нашем случае уровня). Однако стремление увеличить девиацию частоты наталкивается на техническую сложность обеспечения широкополосности 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 последние годы в связи с появлением высокоточных синтезаторов частоты, управляемых процессором, решение этой проблемы не представляет большой сложности.

Из сказанного следует, что чем выше частота, на которой работает приемопередающий блок, тем выше потенциальные возможности уровнемера по точности и чувствительности. Однако следует отметить, что приемопередающий блок является сложнейшим радиоэлектронным устройством как с точки зрения изготовления, так и с точки зрения проектирования. Причем сложность разработки и производства таких блоков существенно возрастает с ростом частоты.

         Кроме того, следует отметить, что специфика проектирования и освоения производства приемопередающих блоков, заключающаяся в приблизительности существующих методик расчета, большого числа итераций при разработке, приводит к значительным срокам от момента постановки задачи до момента начала серийного производства. Эти проблемы усугубляются с ростом частоты.

Резюмируя сказанное выше, можно сделать вывод, что, во-первых, приемопередающий блок – это наиболее сложная и дорогостоящая часть радарного уровнемера, а во-вторых, освоение производства радарных уровнемеров требует значительных сроков и капитальных вложений. Сказанное подтверждается сравнительно небольшим количеством производителей радарных уровнемеров, присутствующих на мировом рынке.

С выхода СВЧ-блока сигнал поступает на вход сигнального процессора, в котором содержатся полезная составляющая, сформированная отражением от поверхности продукта, помехи, шум. Задачей сигнального процессора является за конечное время (десятки миллисекунд) выделить из сигнала полезную составляющую и с требуемой точностью измерить частоту этого сигнала. Наиболее подходящим алгоритмом для решения этой задачи является дискретное преобразование Фурье (ДПФ). [3]

техническая часть

VEGAPULS 62 – радарный уровнемер для непрерывного измерения уровня с рупорной антенной, предназначен для измерения уровня любых сред в резервуарах-хранилищах и технологических емкостях при самых сложных рабочих условиях

Измерение уровня является бесконтактным и не зависит от рабочего давления, температуры и газового состава среды.

Принцип измерения:

Антенная система излучает очень короткие микроволновые импульсы и принимает их в виде эхо-сигналов, отраженных от поверхности измеряемого продукта. Микроволновый импульс распространяется со скоростью света, и время от излучения до приема сигнала пропорционально уровню продукта в емкости. Надежность и точность измерения таких предельно кратких периодов обеспечивается с помощью специальной процедуры растягивания импульса по времени. Радарные датчики работают с малой излученной мощностью в диапазонах частот С или К.

Новейшая микропроцессорная технология и программное обеспечение ECHOFOX обеспечивают надежность селекции и измерения полезного эхо-сигнала.

Для отображения пропорционального уровню сигнала нужно просто задать размеры емкости. Настройка при пустой и полной емкости не требуется.

Независимость от температуры и давления

Температуры и давление среды не оказывают влияния на распространение микроволн, поэтому радарные уровнемеры могут применяться при рабочем давлении от вакуума до 160 бар и температуре -40…400°C.

Независимость от свойств продукта

Колебания состава или полная замена измерямого продукта не оказывают влияния на результат измерения. Повторная настройка в этом случае не требуется.

Частотные диапазоны для разных условий

Для обеспечения надежной работы при различных условиях применения радарные уровнемеры VEGA выпускаются в двух разных частотных диапазонах.

Датчики с диапазоном К работают с частотой более 20 ГГц., благодаря чему могут применяться очень маленькие антенны и компактные типы присоединения. Тонкая фокусировка сигнала обеспечивает высокую точность измерения.

Датчики с диапазоном С имеют низкую частоту 6ГГц и обеспечивают надежные результаты измерения при налипании продукта на антенну или образовании пены на поверхности продукта.

VEGAPULS 62 состоит из следующих функциональных частей:

• рупорная антенна,
• присоединение фланцевое или резьбовое,
• вход для подключения воздушной продувки,
• корпус с электроникой, со штекерным разъемом, с соединительным кабелем,
• крышка корпуса с модулем индикации и настройки. [1]

Рис. 2. VEGAPULS 62 в исполнении с резьбой и пластиковым корпусом

1 Крышка корпуса с модулем PLICSCOM;

2 Корпус с блоком электроники;

3 Присоединение и рупорная антенна;

Рис3. Отсек электроники и подключения:

1 Разъем для VEGACONNECT (интерфейс I²C)

2 Контакты для подключения индикатора VEGADIS 61

3 Клемма заземления для подключения экрана кабеля

4 Контакты для подключения источника питания

Основные технические данные

Вес (с рупорной антенной):

Резьбовое присоединение

Фланцевое присоединение

Удлинение антенны

Длина удлинения антенны

2 … 2,8 кг (в зависимости от раз мера резьбы и материала корпуса)

4,2 … 15,4 кг (в зависимости от раз мера фланца и материала корпуса)

прибл. 1,6 кг/м

до 5,85 м

Выходные величины

Выходной сигнал                                    4 … 20 mA/HART

Разрешающая способность                     1,6 мкA

Сигнал неисправности                                      Токовый выход неизменен 20,5 mA, 22 mA, <3,6 mA (устанавливаемый)

Ограничение тока                                    22 mA

Время интеграции (63 % входной          0 … 999 сек., устанавливаемое

величины)                                                         

Исполненная рекомендация                             NAMUR NE 43

Входные величины

Измеряемая величина                                       Расстояние между присоединением и поверхностью продукта

Минимальное расстояние от конца                  50 mm (1.969 in)

антенны

Рекомендуемый диапазон измерения (в зависимости от диаметра антенны):

- Æ 40 мм                                                                    до 10 м

- Æ 48 мм                                                                    до 15 м

- Æ 75 мм, Æ 95 мм, параболическая антенна          до 30 м

Макс. диапазон измерения                                                  35 м

Характеристики измерения и рабочие характеристики

Частота                                                     Диапазон K (26 ГГц)

Интервал                                                  прибл. 1 сек.

Время успокоения или                                     >1 сек. (в зависимости от установки

реакции на скачок                                   параметров)

Макс. изменение уровня                                   до 1 м/мин. (взависимости от установки параметров)

Средняя излучаемая мощность,             - на расстоянии 1 м (3.28 ft)

попадающая на тело прямо                    108 нВт/см. (108-9 Вт/см.)

перед антенной                                         - на расстоянии 5 м (16.404 ft)

4,3 нВт/см. (4,3-9 Вт/см.)

Точность измерения

Разрешающая способность                     макс. 1 мм

измерения

Погрешность измерения                         (см. рис. 4)

Рис. 4. Погрешность измерения в зависимости от уровня

Размеры (рис. 5)

Рис. 5. Размеры прибора

расчётная часть

Рассчитаем погрешность прибора при различных значениях уровня. Расчёт будем вести для расстояний между антенной уровнемера до уровня жидкости  D = 0,05; 0,1; 0,15…1 м. А после сравним полученную экспериментальную кривую с эталонной кривой на рис. 4.

1. С помощью коллекторов устанавливаем уровень жидкости в резервуаре на расстоянии D = 0,05 м от антенны прибора.

2. Рассчитаем действительное значение уровня:

 м,

где H – максимальный уровень жидкости в резервуаре (в нашем случае 1 м).

3. Регистрируем показание прибора L_и = 0,84 м.

4. Уменьшаем уровень жидкости в резервуаре на 5 мм.

5. Повторяем пункты 1 – 4 десять раз.

6. Повторяем пункты 1 – 5 пять раз.

7. Для оценки точности измерений используем среднеквадратичную погрешность, которую рассчитаем по формуле:

,

где n – количество измерений (в нашем случае n = 5). Для пяти измерений, приняв вероятность α = 0,9, выбираем коэффициент Стьюдента t = 2,1. Тогда, погрешность измерений примем равным:

.

8. Результаты измерений и расчётов занёсём таблицу и изобразим кривую зависимости погрешности измерения от расстояния от уровня жидкости  до антенны уровнемера и сравним его с эталонной.