Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Použití radarových hladinoměrů s vedenou vlnou k měření médií s malou odrazivostí

Při použití radarového hladinoměru s vedenou vlnou existuje jedno významné fyzikální omezení, a to velikost poměrné permitivity média, jehož polohu hladiny je třeba měřit. V článku jsou popsány nejnovější techniky umožňující spolehlivě reflektometricky měřit sypké látky i s velmi malou hodnotou permitivity a jsou zmíněny nové trendy a nabídka v oboru měření polohy hladiny v průmyslu.
  

Ačkoliv moderní měřicí technika umožňuje vyřešit téměř jakoukoliv měřicí úlohu, všechny měřicí přístroje mají trvale jistá omezení bez ohledu na použitý měřicí princip nebo výrobce. Jde o omezení technická, konstrukční a fyzikální. Výrobci se je snaží překonat rozmanitostí měřicích principů využívaných v jimi nabízených přístrojích, aby tak vždy mohli vyhovět specifickým požadavkům dané úlohy. Při snaze dosáhnout co nejširších možností využití přístrojů je pochopitelné, že výrobci stále zkoumají meze každého měřicího principu a hledají způsoby, jak je překonat a umožnit tak použití již existující měřicí techniky i v úlohách, kde ji dříve museli doplnit nebo nahradit technikou založenou na jiném měřicím principu. Například při používání radaru s vedenou vlnou, založeného na metodě Time Domain Reflectrometry (ve zkratce TDR1), nazývaného také např. reflektrometrický radar, reflexní radar, vedený radar, radar vedený kabelem), existuje jedno významné fyzikální omezení, a to velikost poměrné permitivity (dielektrická konstanta, εr) média, jehož polohu k přístroji je třeba detekovat.
 
Metoda TDR se začala používat již v 60. letech minulého století k detekci přerušení kabelů a dodnes patří k měřicím technikám často využívaným v oboru telekomunikací. V současné době se možnosti jejího použití stále rozšiřují. Vedle měření vzdálenosti a lokalizace poruch v kabelech je metoda TDR volena také při měření vlhkosti a vodivosti a rovněž i při určování polohy hladiny kapalných a sypkých látek v nádržích a silech.
 

Princip činnosti reflektometrického hladinoměru

Samotný princip činnosti radarového hladinoměru s vedenou vlnou je velmi jednoduchý. Elektronika přístroje generuje a vysílá velmi krátké elektromagnetické pulzy. Tyto pulzy jsou vedeny podél jednoho nebo dvou vodičů ponořených do média a tvořících snímací část (sondu) přístroje. Po dosažení hladiny měřeného média se pulzy odrážejí zpět směrem k elektronice. Elektronika zaznamenává čas vyslání a přijetí pulzů, které se v atmosféře nad hladinou média pohybují rychlostí jen zanedbatelně odlišnou od rychlosti světla c0, a vypočítává dobu průchodu pulzu sondou. Jelikož je rychlost známa, lze z doby průchodu pulzu určit vzdálenost od elektroniky k povrchu měřeného média. Odečtením takto zjištěné vzdálenosti od známé výšky nádrže nebo sila se stanoví výška hladiny měřeného média.
 
Charakteristické přitom je, že amplituda odraženého signálu se sice mění v závislosti na εr (obr. 1), nemění se ale poloha odraženého impulzu. Měřicí princip TDR je založen na měření času, a nikoliv amplitudy. Změny εr měřeného média v tomto případě tzv. přímého měření nemají vliv na přesnost výsledku.

 

Jak na média s εr≤ 1,6

Skutečnost, že amplituda odraženého pulzu závisí na odrazivosti měřeného média (tedy na jeho εr), ovšem znamená dosti zásadní fyzikální omezení použitelnosti principu TDR. Při malých hodnotách εr je totiž odražený signál tak slabý (viz obr. 1), že ho elektronika přístroje nedokáže detekovat, a měřit metodou přímého odrazu tudíž není možné. V daném případě je fyzikální mezí hodnota poměrné permitivity εr = 1,6. Média s takovouto nebo i menší εr jsou ovšem dosti častá – např. plastové pelety nebo prášky atd. To staví uživatele i dodavatele hladinoměrné techniky před obtížný úkol – jak spolehlivě změřit polohu hladiny médií s poměrnou permitivitou εr ≤ 1,6? Lze fyzikální omezení měřicího principu TDR překonat?
 
Firma Krohne vyvinula v 90. letech minulého století speciální software pro bezkontaktní radarové hladinoměry řady BM 70, vysílajícími do prostoru nádrže spojitý mikrovlnný signál s proměnnou frekvencí (metoda FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave). Jde o metodu tzv. sledování dna nádrže (Tank Bottom Following – TBF), umožňující měřit i média s nedostatečnou odrazivostí – a to v podstatě nepřímým sledováním signálu. Jestliže se radarový signál dostatečně neodráží od povrchu z důvodu malé poměrné permitivity měřeného média, kde se vyslaná energie ztrácí? Odpověď je jasná: signál pohybující se v prostředí nad hladinou média v podstatě rychlostí světla prochází přes hladinu do měřeného média a odráží se ode dna nádrže. V měřeném médiu jeho rychlost klesne v závislosti na εr média. Pro rychlost v radarového signálu v prostředí platí vztah
 
v = c0/√εr           (1)
 
Obsahuje-li nádrž měřené médium s εr > 1, radarový signál potřebuje k dosažení dna nádrže delší dobu než v případě, že je nádrž prázdná (vzduch má εr ≈ 1). V porovnání s měřením v prázdné nádrži se v nádrži s měřeným médiem zdá, jako by se poloha dna posunula dále od hladinoměru. Jestliže je známa poměrná permitivita měřeného média a skutečná poloha dna nádrže, lze s použitím zpoždění při průchodu signálu (posunuté vzdálenosti dna) vypočítat výšku hladiny média v nádrži.
 
V roce 1996 firma Krohne zavedla pracovní režim TBF i do svých radarových hladinoměrů s vedenou vlnou řady BM 100, které tehdy byly nově uvedeny na trh. V tomto případě se však již nepoužíval k výpočtu výšky hladiny signál odražený ode dna nádrže, ale pulz odražený od konce sondy přístroje (obr. 2, obr. 3). Jelikož je délka použité sondy známa a uložena v paměti přístroje, výpočet byl ještě jednodušší než u bezkontaktních radarových hladinoměrů vyzařujících do volného prostoru. Jediná hodnota, kterou bylo pro výpočet výšky hladiny nutné znát, byla hodnota εr média, zadávaná do hladinoměru BM 100.
 
Uvedená technika byla od 90. let minulého století dále rozvíjena. Radarové hladinoměry s vedenou vlnou řady Optiflex 1300 a nejnovější přírůstek Optiflex 2200 určují hodnotu εr měřeného média samy a jsou také samy schopny rozhodnout, zda bude měření probíhat v „normálním“ přímém režimu nebo v režimu sledování konce sondy TBF. Při použití těchto přístrojů uživatel tedy může spolehlivě měřit i médium s velmi špatnou odrazivostí, aniž by musel zjišťovat a zadávat do přístroje doplňkové údaje o měřeném médiu a režimu měření. V tomto případě firma Krohne neposunula fyzikální hranice, ale spíše postupně rozvinula dosavadní přístrojovou techniku tak, aby vyhovovala novým požadavkům. Současný uživatel tak získá spolehlivý a přesný přístroj se snadnou obsluhou, který je schopen se sám přizpůsobit malé nebo měnící se poměrné permitivitě měřeného média.
 

Další novinky a trendy v oboru měření sypkých látek

Vedle malé odrazivosti však může uživatel při měření sypkých látek narazit i na další problémy. Jde např. o různé kužely nasypaného média, ať už s vrcholem směřujícím nahoru nebo dolů, a svahy, které mohou u radarů vyzařujících do volného prostoru (na principu FMCW) způsobit násobné odrazy, a tedy i přímé a nepřímé odrazy signálu od stěn nádrže. K dalším problémům může vést prach, který se při plnění nádrže usazuje na anténě a může následně způsobit značný útlum či rozptyl žádaného signálu. Tradiční prostředky k odstranění tohoto problému – např. trvalé ofukování antény – mohou být z dlouhodobého hlediska nákladné.
 
Ve snaze minimalizovat uvedené i další problémy firma Krohne své hladinoměry neustále zdokonaluje – např. vyvíjí nové typy antén a nové inteligentní algoritmy, které dokážou rozeznat užitečný signál od násobných odrazů. Útlum a rozptyl signálu u radarů na principu FMCW se snaží vyvážit zaváděním metod vyhodnocení zlepšujících dynamiku signálu; díky tomu je možné snáze zpracovat a odlišit slabé užitečné signály od hladiny „ztracené“ mezi silnými rušivými signály.
 
Firma Krohne se vždy snaží nabídnout zákazníkovi úplné řešení jeho problému. Například při měření prášků bezkontaktními radary musí uživatel počítat s poměrně vysokou cenou antény s velkým průměrem a rozměrným provozním připojením i s dodatečnými náklady na pravidelné nebo trvalé oplachování antény tlakovým vzduchem. Při použití radaru řady Optiwave s kapkovou anténou s nepřilnavým povrchem a provozním připojením DN 80 lze v porovnání se standardním uspořádáním dosáhnout značné úspory nákladů. Radarový hladinoměr s vedenou vlnou Optiflex 1100 pro méně náročné úlohy
je dodáván za velmi příznivou cenu, a může tak v praxi nahrazovat mezní hladinové spínače pro sypké látky.
 
K novým trendům při měření sypkých látek patří další zvyšování pracovních frekvencí u bezkontaktních radarových hladinoměrů (až 80 GHz). Nicméně z hlediska využití v praxi se takové přístroje nijak významně neliší od vyzkoušených a osvědčených hladinoměrů s pracovní frekvencí v rozmezí 24 až 26 GHz. Radary pracující na vyšší frekvenci sice mají velmi malý úhel vyzařování, zároveň jsou však mimořádně citlivé na usazeniny na anténě, a většinou se tak při měření sypkých látek neobejdou bez poměrně nákladného oplachování stlačeným vzduchem. Vývoj proto nyní směřuje spíše k menším nákladům, snazšímu uvádění do provozu a ke zjednodušení obsluhy hladinoměrů.
 

Nejnovější nabídka v oboru reflektometrických hladinoměrů

Již zmíněný přístroj Optiflex 2200 C/F je hladinoměr na principu TDR s dvouvodičovým připojením a s měřicím rozsahem pro sypké látky až 20 m při teplotách do 300 °C a tlaku do 4 MPa. Vedle pracovního režimu TBF je přístroj vybaven i algoritmy pro dynamické potlačení rušení (Dynamic Parasite Rejection – DPR), umožňujícími automaticky detekovat a odfiltrovat rušivé signály způsobené usazeninami nebo inkrustacemi. Elektronika přístroje je zpětně kompatibilní se všemi staršími typy sond reflektometrických radarových hladinoměrů firmy Krohne (např. BM 100). Přístroj Optiflex 2200 C/F je dodáván v kompaktním (obr. 4) nebo odděleném provedení (obr. 5) a vedle použití v prostředí s nebezpečím výbuchu (standard ATEX) je také v souladu s (ČSN) IEC 61508 schválen k použití v systémech souvisejících s bezpečností na úrovni SIL 2.
 

Dostupnost

Prodej, záruční i pozáruční servis a kalibraci přístrojů od firmy Krohne v České republice zajišťuje společnost Krohne CZ, spol. s r. o. Zkušení specialisté v kancelářích v Praze, Brně a Ostravě jsou připraveni najít optimální řešení téměř libovolné úlohy měření polohy hladiny v průmyslu.
[Přeloženo z materiálů společnosti Krohne.]
 
Radmila Kompová,
 
Obr. 1. Amplituda odraženého signálu v závislosti na poměrné permitivitě měřeného média εr: čím větší εr, tím lepší odraz
Obr. 2. Stanovení výšky hladiny médií se špatnou odrazivostí s použitím rozdílu rychlosti šíření signálu ve volném prostoru v1 a rychlosti
v měřeném médiu v2
Obr. 3. V porovnání s odrazem v prázdné nádrži se skutečná poloha konce sondy (oranžový odraz) jeví v částečně zaplněné nádrži jako
posunutá (černý odraz)
Obr. 4. Radarový hladinoměr s vedenou vlnou Krohne Optiflex 2200 C v kompaktním provedení
Obr. 5. Hladinoměr Optiflex 2200 F: odělené provedení, u kterého může být vlastní převodník vzdálen až 100 m od senzoru se sondou
 

1) Jako označení principu má zkratka TDR také význam Time Domain Reflexion (pozn. red.).