Čtvrtá generace radarových hladinoměrů Eclipse® a stavoznak Aurora®

Měření polohy hladiny a rozhraní kapalin radarovými hladinoměry s vedenou vlnou (hladinoměry GWR – Guided Wave Radar) se úspěšně zabydlelo v mnoha úlohách v průmyslu. Mezi novinky z poslední doby patří čtvrtá generace radarových hladinoměrů Eclipse a stavoznaku Aurora, unikátní kombinace plovákového stavoznaku s hladinoměrem GWR ve společné armatuře. Hladinoměry Eclipse i kombinaci stavoznaku a hladinoměru Aurora vyrábí společnost Magnetrol, kterou v Česku zastupuje společnost Hennlich prostřednictvím své divize Meres.

Obtokové stavoznaky Aurora

Americká společnost Magnetrol se věnuje přístrojové technice pro měření hladiny již více než 75 let. První řadu stavoznaků Aurora, kombinujících v jedné armatuře plovákový magnetický stavoznak, umožňující přímou a spolehlivou vizuální indikaci polohy hladiny, s radarovým hladinoměrem Eclipse, vhodným do úzké trubice obtoku, uvedl Magnetrol na trh již v roce 1998. Od té doby se osvědčily zejména v energetice, v petrochemickém průmyslu nebo při měření hladiny chemicky agresivních kapalin, např. čpavku. 

Radarové hladinoměry s vedenou vlnou

Radarové hladinoměry s vedenou vlnou (GWR – Guided Wave Radar) využívají pro šíření signálu vlnovod v podobě tyčové nebo lanové sondy, popř. sondu koaxiální. Do vlnovodu se vysílá jen krátký impulz. Ten se v místě rozhraní dvou médií s různou relativní permitivitou odráží a hladinoměr měří dobu mezi vysláním impulzu a přijetím jeho odrazu (princip TDR – Time Domain Reflectometry).

„Měření hladiny a rozhraní kapalin hladinoměry GWR se úspěšně zabydlelo v mnoha průmyslových měřeních. Důvody a výhody proti rozšířenému plovákovému měření hladiny jsou lepší přesnost a nezávislost na změně provozních podmínek a hustoty média. Jakkoliv jsou tyto výhody zřejmé, ne všechna použití radaru jsou stejná,“ upozorňuje Václav Patrovský, který má ve společnosti Hennlich tyto produkty na starosti. 

Relativní permitivita

Obliba nebo vhodnost měření polohy hladiny radarem závisejí na několika faktorech. Tím nejdůležitějším faktorem je relativní permitivita (dříve označovaná též jako dielektrická konstanta) ε_r měřené kapaliny. Radarem lze měřit média od vody s ε_r = 80 až po nevodivé kapalné uhlovodíky s ε_r = 1,4 až 1,7.

Hladinoměry GWR jsou kontaktní, protože sonda je v přímém kontaktu s kapalinou. Signál se šíří podél sondy, která tedy funguje jako vlnovod.

Na obr. 1 je znázorněna koaxiální sonda s vysokou citlivostí, avšak ta nemůže být v mnoha případech použita, protože uvnitř sondy mohou vzniknout nánosy, které jsou s to zkratovat vnitřní vodič s vnějším obalem sondy, a tím znemožnit měření. Tato nevýhoda vedla k návrhu sond, které nejsou ideální z hlediska šíření signálu, ale zkratování vylučují. Jednou z nich je jednotyčová sonda na obr. 2. Je populární, jednoduchá a lze ji snadno čistit. Jednotyčová sonda ovšem může způsobovat problémy s šířením signálu při instalaci v blízkosti kovových překážek uvnitř nádrže. Velikost signálu, která je využita k měření a odrazu od hladiny, je zlomkem původního vyslaného signálu. Proto má tato sonda velmi malou citlivost v porovnání s ostatními sondami, což může ovlivnit spolehlivost měření. 

Signál a šum

Spolehlivost při měření radarovým snímačem souvisí s využitím signálu a schopností detekovat odraz od hladiny. V ideálním případě by měl být po vyslání signálu o malé amplitudě detekován čistý odraz i od hladiny dielektrika s velmi malou relativní permitivitou.

V praxi je však třeba vyslat silný signál, protože odraz od hladiny může být problematický, tj. s velkým šumem, malou amplitudou a mnohočetnými rušivými signály, způsobenými odrazy od překážek a nánosů na sondě. 

Amplituda impulzu a poměr signálu k šumu

V minulých letech byla v průmyslu důležitá hlavně amplituda vyslaného signálu. Jakkoliv je amplituda důležitým faktorem, nemusí v každém případě vést ke spolehlivému měření polohy hladiny. Mnohem důležitějším parametrem je poměr žádaného signálu k nechtěnému šumu SNR (Signal to Noise Ratio).

Je-li signál mnohem větší než šum, je měření vcelku snadná záležitost. Jakmile amplituda šumu dosáhne amplitudy signálu, je výsledkem horší přesnost měření hladiny nebo nelinearita měření. 

Diodový obvod Diode Switched Design® nové elektroniky Eclipse 706

Diodový obvod elektronického převodníku hladinoměru pracuje jen velmi krátce, když připne na dobu 1 ns obvod vysílače k sondě na okamžik vyslání impulzu. Ultrarychlý obvod potom vysílač opět odepne. Výsledkem je kompletní oddělení obvodu vysílače od sondy a také od obvodu přijímače. Tento princip maximalizuje citlivost přijímače a přivádí veškerý odražený signál sondy na vstup přijímače. Mnoho výrobců radarových hladinoměrů s vedenou vlnou také hovoří o izolaci signálu, ale obvody nedokážou přijímač izolovat úplně. Diodový obvod Diode Switched Design^®, používaný u hladinoměrů Eclipse 706 (obr. 3), nezpůsobuje ztrátu signálu a zvyšuje poměr signálu k šumu. 

Závěr

Radarové hladinoměry se v praxi používají stále častěji. Proto je důležité rozpoznat faktory, které ovlivňují spolehlivost a přesnost měření. Poměr signálu k šumu mezi tyto faktory rozhodně patří. Při vývoji nové, čtvrté generace elektroniky Eclipse 706 bylo zvýšení tohoto poměru věnováno velké úsilí. Nová elektronika Eclipse 706 přináší ve srovnání s předchozím řešením obvodů hladinoměrů GWR lepší, přesnější a spolehlivější výsledky.

Více informací na: http://meres.hennlich.cz. 

(HENNLICH s. r. o.)

Obr. 1. Vlnovod v podobě koaxiálního kabelu má skvělé vlastnosti z hlediska šíření signálu, ale nelze jej použít tam, kde hrozí tvorba nálepů a usazenin uvnitř sondy

Obr. 2. Nejčastěji používaná tyčová sonda: snadná údržba, horší vlastnosti z hlediska poměru signálu a šumu

Obr. 3. Kompaktní sada stavoznaku Aurora
s radarem Eclipse 706 v jedné armatuře