4.2 Сравнительный анализ поплавкового и радарного датчиков
Уровнемер РУПТ-А относится к импульсным ультразвуковым приборам с твердым звуководом, который вводится в резервуар с контролируемой жидкостью. Длина звуковода не менее диапазона измерения. Уровень отслеживается при помощи поплавка, перемещающегося вдоль звуковода вместе с уровнем жидкости. В уровнемерах, измеряющих только общий уровень, поплавок один, он отслеживает этот уровень. В уровнемерах, измеряющих одновременно общий уровень и уровень раздела сред, два поплавка. Один отслеживает общий уровень, второй - уровень подтоварной воды, так как имеет удельную плотность выше, чем нефтепродукт, но ниже, чем подтоварная вода, и за счет этого находится на границе раздела нефтепродукт - подтоварная вода. Излучатель ультразвука, имеющий акустическую связь с верхним концом звуковода, периодически возбуждает в нем ультразвуковые волны (УЗВ) частотой 50 кГц. Очередная УЗВ возбуждается после того, как полностью прекратятся предыдущая и ее отражение. При каждом цикле возбуждения УЗВ измеряются временные интервалы, пропорциональные уровню, а при наличии опорного канала, еще и базовому (опорному) расстоянию. Момент достижения УЗВ поплавков и опорного узла фиксируется по появлению электрических сигналов при взаимодействии поплавка и опорного узла со звуководом в результате прохождения УЗВ. Сигналы снимаются или со звуководов, или с намотанных на них однослойных катушек.
Достоинства уровнемера РУПТ-А:
- высокая точность и стабильность показаний ( 0,15% )
- независимость показаний от температурных изменений среды и окружающего воздуха.
- простота настройки при первичной установке и в эксплуатации
- отсутствие пневматических линий и электропневмопреобразователей.
Недостатки поплавковых уровнемеров:
- большая металлоемкость;
- недостаточная надежность из-за наличия подвижных элементов.
Система коммерческого учета нефтепродуктов Saab TankRadar L/2 (TRL/2) представляет собой систему контроля и измерения уровня, объема и массы продукта в резервуарах. Система TRL/2 может взаимодействовать с различными датчиками, такими как датчики температуры и давления, осуществляя полный контроль над содержимым резервуара.
Радарный уровнемер способен определить уровень в резервуаре с погрешностью 0,5 мм, когда как поплавковый датчик уровня имеет погрешность контрольного уровня ±8 мм. Диапазон измерений радарного уровнемера составляет от 0,8 м до 40 м, что позволяет определять достаточно точный уровень в резервуаре.
Ни одна часть уровнемера не находится в реальном контакте с продуктом в резервуаре, и только антенна подвергается воздействию атмосферы резервуара.
4.3 Радарный уровнемер rtg 3940 rex
Уровнемер RTG 3940 REX используется для установки на резервуары с плавающей крышей в направляющей трубе с любыми продуктами, хранимыми в таких резервуарах.
Уровнемер использует режим распространения луча радара с низкими потерями, который фактически ликвидирует влияние условий состояния направляющей трубы. Измерения проводятся с высокой точностью, даже если труба старая, грязная, покрытая отложениями.
Уровнемер RTG 3940 REX устанавливается на трубы 6”, 8”, 10”, и 12”. Он может устанавливаться на уже имеющиеся трубы и при его установке нет необходимости выводить резервуар из эксплуатации.
Радарный уровнемер излучает микроволновой сигнал по направление продукта. Он не имеет движущихся частей и контакта с жидкостью. Радарный сигнал отражается от поверхности жидкости и возвращается на антенну. Излучение представляет сигнал с непрерывно изменяющейся частотой. При распространении сигнала по направление к поверхности жидкости и обратно от поверхности жидкости к антенне он смешивается с сигналом, излучаемым в данный момент. Т.к сигнал, отраженный от поверхности, и сигнал излучаемый к поверхности, имеет различную частоту, то в результате наложения получается разностный сигнал с низкой частотой. Разница в частоте между излучаемым и отраженным сигналом пропорциональна расстоянию до поверхности жидкости [7].
Этот метод называется методом частотно-модулированной непрерывной волны FMCW, график показан на рисунке 4.1.
Для обеспечения точности измерений радарный уровнемер снабжен цифровым эталоном и термостабилизацией электронного блока. Когда измерения выполняются в особо трудных условиях, программное обеспечение уровнемера использует цифровую фильтрацию сигнала и FFT-вычисления по всей высоте резервуара, чтобы исключить паразитные отражения и обеспечить точность измерений.
Рисунок 4.1 - Метод непрерывной волны FMCW
Для проведения измерений в трубах используется уникальный метод специального циркулярного режима радарной волны с низкими потерями, который практически исключает ошибки измерений, обуславливаемые отложениями ржавчины и продукта на внутренней поверхности труб.
Радарные уровнемеры RTG работают на частоте 10 ГГц, которая оптимальная при балансировании между величиной угла излучения и чувствительностью к конденсату. При снижении частоты увеличивается угол излучения и, следовательно, требуемый объем свободного пространства. А при повышении частоты увеличивается отрицательное влияние конденсата продукта и загрязнения на антенне.
Высокая точность требует высокой чувствительности. Чувствительность характеризует возможность измерения расстояний с антеннами различной площади в различных условиях состояния поверхности жидкости. В условия состояния поверхности жидкости входят: сорт жидкости, до поверхности, рябь на поверхности. Энергия сигнала, отраженного от гладкой поверхности, пропорциональна диэлектрической постоянной жидкости. Радарные уровнемеры SAAB могут измерять уровень всех жидкостей в любых условиях (рисунок 4.2).
1 - волновод; 2 - волновое соединение; 3 - защитный кожух; 4 - основной блок; 5 - стояк; 6 - конус; 7 - уплотнение
Рисунок 4.2 – Общий вид уровнемера RTG 3940 REX
4.4 Надежностное обоснование замены поплавкового уровнемера на
радарный уровнемер
4.4.1 Основные показатели надёжности.
Надежность датчиков является одним из основных показателей качества. Датчики относятся к невосстанавливаемым устройствам, поэтому их надежность характеризуют вероятностью невыхода из строя за время хранения и выполнения задания. Требования к надежности датчиков довольно высоки - 0,99 - 0,9999.
Основные характеристики надежности для невосстанавливаемых изделий:
вероятность безотказной работы за время t P(t);
вероятность отказа за время t Q(t);
интенсивность отказов λ(t), которая указывает среднее число отказов, возникающее за единицу времени эксплуатации изделия;
среднее время наработки изделия до отказа Т.
Так как все расчеты выполняются для нормальной эксплуатации приборов, то вероятность безотказной работы за время t выглядит так:
. (4.1)
Для невосстанавливаемого изделия, которое работает до отказа, надежность характеризуют средним временем наработки до отказа Т [8].
Рассмотрим методику расчета надежности невосстанавливаемых изделий. Условия расчета надежности:
расчет производится для этапа нормальной эксплуатации изделия, поэтому считают λ(t) = const;
создают надежностную схему изделия, причем считают, что отказ элемента (группы элементов), включенных в надежностную схему, приводит к отказу всего изделия;
каждый элемент, включаемый в надежностную схему, характеризуется интенсивностью отказов λi и вероятностью безотказной работы Pi(t);
считают, что отказы отдельных элементов независимы между собой (хотя бы в первом приближении), поэтому вероятность безотказной работы изделия Ризд(t) (по теории вероятностей) находится по формуле:
, (4.2)
Интенсивность отказов изделия λизд будет равна:
, (4.3)
Среднее время наработки на отказ найдется как:
. (4.4)