Radar falowodowy

Doskonała alternatywa dla technologii nurnikowego pomiaru poziomu

Tradycyjnie nurniki i inne technologie mechaniczne stosowane były w aplikacjach pomiaru poziomu, rozdziału faz i gęstości w różnego rodzaju instalacjach dla niewielkich zakresów pomiarowych. Zmiany gęstości medium i osad na nurniku pogarszają parametry pomiarów. Radar GWR lepiej nadaje się do takich aplikacji, gdyż daje większe możliwości niż technologie mechaniczne.

Radar falowodowy jest montowany na górze zbiornika lub komory bocznej, z anteną (falowodem) sięgającą dna zbiornika. Aby zapewnić optymalne rozwiązanie dla różnych parametrów aplikacji, stosuje się różne rodzaje anten. Na przykład Emerson oferuje anteny współosiowe, pojedyncze sztywne, pojedyncze elastyczne, podwójne sztywne i podwójne elastyczne. Są także specjalne anteny przeznaczone do pracy w środowisku żrącym i w ekstremalnym ciśnieniu/temperaturze.

Zasada działania radaru falowodowego wykorzystuje energię mikrofal wysyłanych w dół wzdłuż anteny. Kiedy impuls sygnału napotka powierzchnię medium, jest odbijany i wysyłany z powrotem do przetwornika. Przetwornik mierzy czas potrzebny impulsowi na dotarcie do powierzchni medium i z powrotem, a wbudowany mikroprocesor oblicza odległość do powierzchni medium na podstawie „czasu przelotu” impulsu.

Ponieważ działanie radaru GWR nie zależy od gęstości medium procesowego ani turbulencji, dokładność i niezawodność pomiaru jest wyższa. Osad na antenie, zmiana gęstości medium również nie wpływają na dokładność pomiaru, dzięki czemu urządzenie nie wymaga rekalibracji. Znika problem fałszywych odczytów. Ponieważ radar falowodowy nie ma części ruchomych, które mogą się zablokować lub zużyć, koszty obsługi urządzenia maleją. Użytkownicy radarów GWR firmy Emerson oszczędzają rocznie na kosztach obsługi i serwisowania od tysiąca do ośmiu tysięcy dolarów na jednym urządzeniu.

Przetworniki falowodowe instaluje się szybko i łatwo zarówno w nowych jak i w istniejących instalacjach. Przy wymianie nurnikowych przetworników na radary GWR możliwa jest wymiana jeden-na-jeden przy wykorzystaniu istniejących komór.

Wysoka jakość pomiaru radarem falowodowym

Aby zwiększyć zastosowanie radarów falowodowych, producenci wyposażyli przetworniki w inteligencję i umiejętność przetwarzania sygnału. Dobrym przykładem jest opatentowana przez firmę Emerson technologia DST (Direct Switch Technology), która poprawia działanie przetworników radarowych Rosemount 5300 poprzez zminimalizowanie strat sygnału odbitego i zwiększenie jego siły od dwóch do pięciu razy. Zwiększa to współczynnik określający stosunek sygnału do szumu i zapewnia poprawną pracę w przypadku obiektów znajdujących się blisko anteny, osadów na antenie, piany, oparów i turbulencji.

Technologia DST pozwala radarom falowodowym z pojedynczą anteną na pracę w dużym zakresie pomiarowym (50 m) i w aplikacjach z mediami o niskiej stałej dielektrycznej (do 1,2 – słabe odbicie sygnału). Umożliwia także pomiar rozdziału faz za pomocą urządzenia z pojedynczą anteną, co jest dużą zaletą w przypadku mediów adhezywnych. Pojedyncza antena (w przeciwieństwie do współosiowej czy podwójnej) minimalizuje koszty obsługi urządzenia związane z mediami, takimi jak np. brudne, lepkie oleje, gdzie mogą tworzyć się mostki i powstawać fałszywe odbicia, co powoduje potrzebę prac serwisowych.

Zaawansowana diagnostyka radarów GWR firmy Emerson pomaga w planowaniu prac serwisowych i lepszym zrozumieniu procesu. Aby nie dopuścić do spadku jakości i siły sygnału, firma oferuje opcję Signal Quality Metrics do monitorowania jakości sygnału w czasie. Signal Quality Metrics porównuje sygnały odbite od powierzchni z poziomem szumów, co umożliwia wykrycie i monitorowanie osadów na antenie, wrzenia, piany i turbulencji powierzchni cieczy.

Obserwacja krzywej odbić radaru falowodowego pozwala „spojrzeć” do wnętrza komory, daje informacje o aplikacji, które zwykle są wystarczające do rozwiązania zaistniałych problemów, bez konieczności otwierania komory i demontowania radaru.

Zastosowanie radarów falowodowych do pomiaru poziomu granicy faz

W kolejnej aplikacji radar falowodowy GWR z zaawansowanym przetwarzaniem sygnału umożliwia pomiar poziomu górnego i poziomu granicy rozdziału cieczy za pomocą tego samego czujnika i anteny zanurzonej w medium procesowym. Impuls jest odbijany, gdy zmienia się stała dielektryczna medium procesowego otaczającego antenę.

Ekstermalne temperatury i ciśnienia

Radary falowodowe Emersona pracują w temperaturze od -196 °C do +400 °C i ciśnieniu do 345 bar. W ekstremalnych warunkach stosuje się specjalne anteny.

Ich uszczelnienie jest wielostopniowe, ma barierę temperaturową i ciśnieniową z elememtami elastycznymi do przeciwdziałania siłom wywołanym przez ruchy anteny, drgania i zmiany temperatury. Hermetycznie spawane, gazoszczelne izolowanie od procesu zapewnia jeszcze jedną warstwę zabezpieczającą, a cały zespół jest wspawany w rękaw ze stali nierdzewnej.

Zastosowania woda/para

Wysokociśnieniowe aplikacje do pary nasyconej, przy zmiennym ciśnieniu i temperaturze są trudne zarówno dla nurników jak i radarów falowodowych. W przypadku nurników wahania gęstości mogą prowadzić do błędów nawet 30-procentowych. W przypadku radarów GWR¸ wysoka stała dielektryczna pary może spowodować błędy do 20 %.

Rozwiązanie Emersona umożliwia  zachowanie dokładności pomiarów w takich warunkach. Radar falowodowy Rosemount 5300 z dynamiczną kompensacją oparów DVC (Dynamic Vapour Compensation) wykorzystuje odbicie referencyjne do zmierzenia stałej dielektrycznej pary. Umożliwia to automatyczną kompensację zmian stałej dielektrycznej i dokładność pomiaru rzędu 2 %. Aplikacje, w których taki pomiar ma zastosowanie to: odgazowywacze, zbiorniki wody zasilającej, walczaki kotłów parowych.

Wnioski

Technologia GWR ma liczne zalety i może być stosowana w aplikacjach pomiaru poziomu, zapewniając dokładne, niezawodne i niekłopotliwe pomiary poziomu cieczy i rozdziału faz. Jest niewrażliwa na zmiany gęstości, temperaturę i ciśnienie oraz na opary kondensujące lub krople cieczy osiadające na sondzie, ponadto zapewnia wiarygodne pomiary w przypadku cieczy o powierzchni spienionej czy wrzącej. Nadaje się do pomiarów mediów o niskim współczynniku odbicia sygnału (np. skroplone gazy) i do jednoczesnego pomiaru poziomu górnego i granicy faz.

Radar GWR można zamontować w miejsce starego miernika nurnikowego, w istniejących komorach, co obniża koszty instalacji. Brak ruchomych części, większa odporność na osad i wyeliminowanie rekalibracji znacznie zmniejszają koszty obsługi i serwisowania tych urządzeń.

Anna Olander, Cezary Szmeja
Emerson Process Management Sp. z o.o.
info.pl@emerson.com

Przykłady aplikacji Separatory gaz – ropa   W separatorach przy produkcji ropy – gazu radary GWR minimalizują najczęściej występujące problemy serwisowe i zmniejszają niedokładność pomiarów spowodowaną wahaniem gęstości cieczy. Pomiary za pomocą nurnika w separatorze gaz–ropa były obarczone sporymi błędami spowodowanymi wahaniem gęstości cieczy, natomiast radar falowodowy firmy Rosemount z anteną wysokociśnieniową działa prawidłowo. Separatory ropa - woda Radary GWR mogą być stosowane w separatorach do dokładnych, niezależnych od zmian gęstości pomiarów poziomu granicy faz ropy i wody. Przykładem są separatory w rafinerii US Midwest, które otrzymują ropę z różnych źródeł, więc jej właściwości różnią się. Nurnik reagował na zmiany gęstości, a błędne pomiary powodowały wpuszczanie ropy do ścieków, co stanowiło obciążenie dla oczyszczalni i marnotrawstwo surowca. Radar Rosemount 5300 zainstalowany bezpośrednio w komorze nurnika, z wykorzystaniem tego samego kołnierza i okablowania pętli, zapewnił lepsze wyniki pomiaru rozdziału faz. Dodatkową korzyścią jest redukcja prac serwisowych. Nurnik wymagał częstej kalibracji i czyszczenia z osadu, który zmieniał jego ciężar a nawet ograniczał ruch. Radar falowodowy nie ma części ruchomych, zatem serwisowanie ogranicza się do okazjonalnego oczyszczania anteny, co upraszcza procedury serwisowe i minimalizuje czas przestojów. Kolumny destylacyjne Radary GWR stosowane są także do zapewnienia wiarygodnych pomiarów poziomu w kolumnach destylacyjnych. Zakłady chemiczne w Czechach potrzebowały urządzenia do pomiaru poziomu w kolumnie destylacyjnej zawierającej metanol, wodę i ciecz na bazie amoniaku. Jest to trudny pomiar, gdyż ciecz jest spieniona i wrząca. Wszystkie próbowane dotąd urządzenia zawiodły, więc postanowiono najpierw przetestować nowy radar, zanim zostanie zainstalowany na działającej kolumnie. Radar falowodowy Rosemount z anteną współosiową z powodzeniem przeszedł wszystkie testy i został zainstalowany na zbiorniku procesowym. Od siedmiu lat dostarcza dokładnych i wiarygodnych wyników pomiarów. Skroplone gazy i freon Technologia GWR nadaje się do skroplonych gazów i freonu oraz czystych cieczy (często spienionych), przechowywanych pod wysokim ciśnieniem lub w niskiej temperaturze. Gdy ciekły propan stosowany jest jako schładzacz w procesie przetwarzania węglowodorów lub w instalacjach chemicznych, standardowym zadaniem jest monitorowanie poziomu cieczy w zbiornikach magazynowych, by zapewnić odpowiednią ilość propanu do zasilenia chłodnic w procesie recyrkulacji. Tradycyjne pomiary poziomu były niewiarygodne z powodu drgania powierzchni oraz wahań temperatury i gęstości cieczy o niskiej stałej dielektrycznej. GWR z anteną współosiową oferuje bardziej dokładne pomiary, gdyż jest mało wrażliwy na zmiany gęstości i drgania powierzchni cieczy w zbiorniku. Wstępne testy z radarem Rosemount GWR przeprowadzono w zakładach chemicznych w Stanach Zjednoczonych, z zastosowaniem anteny o długości 1,5 m, zainstalowanej w istniejącej komorze bocznej zbiornika. Poziom propanu został wykryty natychmiast, a radar dostarcza dokładnych pomiarów już ponad trzy lata.

źródło: Emerson Process Management