No campo da medição de nível na automação industrial, os transmissores de nível radar tornaram-se equipamentos essenciais em indústrias como petroquímica, tratamento de água, alimentos e farmacêutica, graças às suas vantagens de não contato, alta precisão e forte adaptabilidade. Seu princípio de funcionamento (princípio de funcionamento do transmissor de nível radar) é a chave para alcançar medições precisas.
Um transmissor de nível radar é um dispositivo de medição de nível baseado na tecnologia de radar (onda eletromagnética). Ele calcula a posição da superfície do líquido transmitindo e recebendo ondas eletromagnéticas, converte o sinal de altura do nível do líquido em sinais elétricos padrão industrial (como sinais de corrente de 4-20mA, sinais digitais RS485) e realiza transmissão de longa distância, monitoramento em tempo real e controle automático dos dados do nível do líquido.
Comparado com equipamentos tradicionais de medição de nível (como tipo bóia, tipo ultrassônico), suas principais vantagens residem em não serem afetados por fatores ambientais como densidade do meio, viscosidade, poeira e vapor. Ele pode ser adaptado a condições de trabalho industriais adversas, como alta temperatura, alta pressão e forte corrosão, e sua precisão de medição permanece estável por um longo tempo.
A lógica de funcionamento de um transmissor de nível radar gira em torno de "transmissão de onda eletromagnética - reflexão - recepção - cálculo do sinal". Ele infere a altura do nível do líquido através da interação entre ondas eletromagnéticas e a superfície do líquido. O processo específico é o seguinte:
O oscilador de alta frequência dentro do dispositivo gera ondas eletromagnéticas de uma frequência específica (comumente 6GHz, 26GHz). Essas ondas eletromagnéticas são transmitidas direcionalmente para a superfície do líquido dentro do recipiente através de uma antena de radar dedicada (como uma antena de buzina, antena de haste).
- Ponto Técnico Chave: A frequência das ondas eletromagnéticas afeta diretamente o desempenho da medição. Quanto maior a frequência, menor o ângulo do feixe (o ângulo do feixe de 26GHz é geralmente ≤3°), e mais forte o foco do sinal, o que é adequado para recipientes de pequeno calibre ou condições de trabalho complexas. Frequências mais baixas (como 6GHz) resultam em um ângulo de feixe mais amplo (cerca de 15°), o que é adequado para medição de grande alcance de tanques de armazenamento de grande calibre e tem uma capacidade mais forte de penetrar poeira e vapor.
Quando o feixe de onda eletromagnética toca a superfície do líquido, devido à diferença significativa na constante dielétrica entre o líquido e o ar (a constante dielétrica do líquido é geralmente ≥1,8, muito maior do que a do ar), a maioria das ondas eletromagnéticas é refletida pela superfície do líquido para formar um "sinal de eco efetivo". Uma pequena quantidade de ondas eletromagnéticas penetrará na superfície do líquido ou será absorvida pelo meio, o que tem um impacto insignificante no resultado da medição.
- Premissa de Adaptação: Contanto que a constante dielétrica do líquido atenda a ≥1,8, um eco estável pode ser formado. Se a constante dielétrica do meio for extremamente baixa (como alguns óleos leves, gás natural liquefeito), um guia de ondas pode ser usado para aumentar o efeito de reflexão e garantir a força do sinal de eco.
O sinal de eco refletido retorna ao longo do caminho original e é recebido pela antena de radar. O módulo de processamento de sinal (equipado com chips MCU e DSP) dentro do dispositivo realiza filtragem, amplificação e processamento de redução de ruído no sinal de eco, eliminando sinais de interferência, como reflexão da parede do recipiente, poeira ambiental e vibração do equipamento, e retendo apenas o eco efetivo relacionado à superfície do líquido, fornecendo uma base de dados precisa para cálculos subsequentes.
Ao calcular a "diferença de tempo (Δt) entre o tempo de transmissão das ondas eletromagnéticas e o tempo de recepção dos ecos", e combinando com a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar (cerca de 3×10⁸m/s em condições padrão, que pode ser calibrada em tempo real de acordo com a temperatura e pressão ambiente), o módulo de processamento de sinal infere a altura do nível do líquido através de uma fórmula:
Altura do Nível do Líquido (H) = Altura Total do Recipiente (H_total) - Distância da Antena de Radar à Superfície do Líquido (d)
Entre eles, d = (Velocidade de Propagação da Onda Eletromagnética × Δt) / 2 (dividido por 2 porque a onda eletromagnética precisa viajar de ida e volta entre a antena e a superfície do líquido).
- Tecnologia Especial: Alguns dispositivos de ponta adotam a tecnologia de Onda Contínua Modulada em Frequência (FMCW). Ao transmitir ondas eletromagnéticas com frequências que mudam linearmente, eles calculam a diferença de frequência entre a onda transmitida e o eco, e inferem indiretamente a distância. Isso é adequado para cenários de medição de nível de líquido de alta precisão (erro ≤ ±0,05%) e longa distância (faixa de medição de até 70m).
Após a conclusão do cálculo, o dispositivo converte o sinal de altura do nível do líquido em sinais padrão industrial, como 4-20mA, RS485 ou protocolo HART, e o transmite para sistemas de controle PLC, DCS ou instrumentos de exibição para realizar o monitoramento em tempo real do nível do líquido, alarme de limite ou controle automático de descarga/abastecimento de água.
Com base no princípio de funcionamento acima, o transmissor de nível radar possui três principais vantagens técnicas, que podem atender com precisão às necessidades de cenários industriais:
Como as ondas eletromagnéticas não precisam estar em contato direto com o líquido, não há atrito físico entre o dispositivo e o meio. A antena é feita de materiais anticorrosivos (como Hastelloy, revestimento de PTFE) e é equipada com design de vedação de nível IP67/IP68. Ele pode suportar uma pressão máxima de 60MPa e uma faixa de temperatura de -60℃ a 400℃, e é adequado para condições de trabalho de forte corrosão, alta temperatura e alta pressão. A vida útil do dispositivo é estendida para 5-8 anos (a vida útil dos dispositivos de contato tradicionais é geralmente inferior a 3 anos).
A propagação das ondas eletromagnéticas não é afetada pela densidade do meio, viscosidade ou cor, e pode penetrar poeira, vapor e névoa. Mesmo em recipientes complexos com agitadores e defletores, através do design de feixe estreito ou algoritmos de rastreamento de eco, o eco da superfície do líquido ainda pode ser identificado com precisão, e a estabilidade da medição não é afetada pelas mudanças ambientais.
Através de otimizações como design de sinal de alta frequência, módulos de compensação de temperatura e pressão e tecnologia FMCW, o erro de medição do dispositivo pode ser controlado dentro de ±0,1%, e a faixa de medição cobre 0,1m-70m. Ele pode ser adaptado à medição de nível/nível de material de líquidos e algumas partículas sólidas (como partículas de plástico, pó de carvão), atendendo às necessidades de múltiplas indústrias, como petroquímica, tratamento de água, alimentos e farmacêutica, e armazenamento de energia.
Ambos são métodos de medição sem contato, mas suas principais tecnologias são diferentes: Os transmissores de nível radar são baseados na reflexão de ondas eletromagnéticas, não são afetados por poeira, vapor e temperatura, com uma ampla faixa de medição (0,1m-70m) e adequados para condições de trabalho complexas. Os medidores de nível ultrassônicos são baseados na reflexão de ondas sonoras; as ondas sonoras são facilmente atenuadas por poeira e temperatura, com uma faixa de medição estreita (0,2m-10m), e adequados apenas para cenários de medição de líquidos que são limpos e livres de interferência.
Otimizações precisam ser feitas a partir da perspectiva da adaptação do princípio de funcionamento: selecione uma frequência correspondente à condição de trabalho (26GHz para condições de trabalho complexas), calibre a velocidade de propagação da onda eletromagnética (compensação em tempo real com base na temperatura e pressão ambiente), certifique-se de que a constante dielétrica da superfície do líquido atenda aos requisitos (use um guia de ondas para meios de baixa constante dielétrica) e limpe regularmente a antena para evitar interferência do acúmulo de material, de modo a manter a medição de alta precisão.
Com base em seu princípio de funcionamento, eles podem ser adaptados a condições de trabalho especiais, como alta temperatura (≤400℃), alta pressão (≤60MPa), forte corrosão (meios ácido-base), alta poeira (como silos de cimento, tanques de pó de carvão) e fácil embaçamento (como tanques de fermentação de bebidas). Além disso, eles não exigem manutenção frequente e são o equipamento de medição de nível de líquido preferido em ambientes industriais agressivos.
O princípio de funcionamento do transmissor de nível radar se concentra na "interação de ondas eletromagnéticas". Através da transmissão, reflexão, recepção e cálculo precisos, ele realiza a medição de nível de líquido sem contato, de alta precisão e altamente adaptável. Suas vantagens técnicas decorrem da adaptação aprofundada às necessidades de cenários industriais. Seja a capacidade anti-interferência em condições de trabalho adversas ou a adaptabilidade de medição de ampla faixa, ambas são impulsionadas pela otimização e iteração do princípio de funcionamento. Com a atualização da automação industrial, os transmissores de nível radar baseados em princípios de funcionamento avançados continuarão a ser o equipamento essencial para a medição de nível de líquido em várias indústrias, promovendo a medição industrial em direção a uma direção "mais precisa, mais estável e com menor manutenção".
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