Что такое микроволновые уровнемеры: принцип работы, виды и применение

Микроволновые уровнемеры — это устройства, измеряющие уровень среды с помощью радиоволн высокой частоты (микроволн), которые излучаются в ёмкость и отражаются от поверхности материала. Время прохождения сигнала «от датчика до поверхности и обратно» используется для расчёта расстояния до уровня, а значит — и самого уровня заполнения.

Такие приборы работают по принципу радиолокации, аналогично радару, и часто называются радарными уровнемерами. Они не требуют контакта со средой, что делает их идеальными для агрессивных, горячих, вязких или пыльных сред.

В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое микроволновые уровнемеры, как они работают, из каких элементов состоят, где применяются и какие у них преимущества и недостатки.

Принцип работы микроволновых уровнемеров

Работа микроволнового уровнемера основана на измерении времени распространения электромагнитного импульса (метод ToF — Time of Flight).

Процесс измерения включает следующие этапы:

1. Излучение импульса — антенна датчика испускает короткий микроволновой сигнал (обычно в диапазоне 6–80 ГГц).
2. Отражение сигнала — волна достигает поверхности среды и отражается обратно.
3. Приём отражённого сигнала — датчик фиксирует время между отправкой и приёмом сигнала.
4. Расчёт уровня — на основе времени прохождения сигнала и скорости света вычисляется расстояние до поверхности. Уровень рассчитывается как:

h=H−d

где:
h — уровень заполнения,
H — высота резервуара,
d — измеренное расстояние до поверхности.

Этот метод обеспечивает высокую точность даже при наличии пены, паров, пыли или изменениях температуры и давления.

Строение микроволновых уровнемеров

Типовой микроволновый уровнемер состоит из следующих компонентов:

• Антенна — излучает и принимает микроволновой сигнал. Бывает конусной, рупорной, планарной или стержневой.
• Волновод (только для контактных микроволновых уровнемеров, например, MicroTREK) — направляет микроволновой сигнал вдоль своей длины и используется в приборах с контактным принципом измерения
• Электронный блок — генерирует импульсы, обрабатывает сигнал, преобразует данные.
• Корпус — защищает электронику, имеет степень защиты IP66–IP68.
• Подключение к питанию и выходу — клеммы для подачи питания (24 В) и передачи сигнала (4–20 мА, HART, Profibus, Modbus).
• Материал антенны — PTFE, PP, керамика, нержавеющая сталь — в зависимости от среды.

Типы и виды микроволновых уровнемеров

Микроволновые уровнемеры классифицируются по нескольким признакам:

1. По методу измерения:

• Импульсные радарные (TDR — Time Domain Reflectometry) — измеряют время прохождения короткого импульса. Просты и надёжны.
• Частотно-модулированные (FMCW — Frequency Modulated Continuous Wave) — используют непрерывный сигнал с изменяющейся частотой. Более точны, но дороже.

2. По типу антенны:

• Конусные/рупорные — высокая направленность, подходят для больших резервуаров.
• Планарные (фланцевые) — компактные, устанавливаются в ёмкости с внутренними препятствиями.
• Стержневые — для узких труб и малых ёмкостей.

3. По сфере применения:

• Для жидкостей — вода, нефть, химикаты.
• Для сыпучих материалов — цемент, зерно, уголь, пластик.
• Взрывозащищённые — для ATEX-зон (нефтегаз, химия).

Особенности микроволновых уровнемеров

• Работают без контакта со средой — не подвержены износу и коррозии.
• Не зависят от плотности, вязкости, проводимости или прозрачности среды.
• Устойчивы к пене, пару, пыли, вибрациям.
• Требуют свободной зоны под антенной — препятствия могут вызывать ложные отражения.
• Чувствительны к налипанию среды на антенну — может снижать точность.
• Подходят для высоких давлений и температур (до +200°C в некоторых моделях).

Преимущества и недостатки 

Преимущества:

• Высокая точность — погрешность от ±2 мм до ±4 мм.
• Бесконтактное измерение — нет износа, не нужно обслуживать поплавки.
• Универсальность — подходят для жидкостей и сыпучих материалов.
• Работа в сложных условиях — при высоком давлении, температуре, парообразовании.
• Долгий срок службы — до 15–20 лет при правильной эксплуатации.
• Цифровая диагностика — возможность самодиагностики и настройки через HART/Modbus.

Недостатки:

• Высокая стоимость — особенно у FMCW-моделей.
• Чувствительность к налипанию — в средах с высокой адгезией требуется защита или очистка.
• Требуют правильной установки — антенна должна быть направлена в свободную зону.

Область применения микроволновых уровнемеров

Микроволновые уровнемеры активно используются в:

• Нефтегазовой отрасли — контроль уровня в резервуарах, сепараторах, скважинах.
• Химической промышленности — работа с агрессивными жидкостями.
• Пищевой и фармацевтической промышленности — благодаря гигиеническому исполнению.
• Энергетике — контроль уровня в котлах, баках ГСМ.
• Коммунальном хозяйстве — на очистных сооружениях, насосных станциях.
• Сельском хозяйстве — хранение зерна, удобрений, силоса.

Назначение микроволновых уровнемеров

Основное назначение бесконтактных уровнемеров — обеспечение точного, бесконтактного и надёжного контроля уровня в автоматизированных системах. Они используются для:

• Автоматизации заполнения и слива ёмкостей.
• Предотвращения перелива или сухого хода насосов.
• Учёта объёмов сырья и готовой продукции.
• Интеграции в системы SCADA, ПЛК и диспетчеризации.

Схема подключения микроволновых уровнемеров

Типовая схема подключения включает:

1. Микроволновый датчик, установленный на крышке или стенке резервуара.
2. Кабель питания и сигнала — экранированный, с заземлением.
3. Блок питания (24 В постоянного тока).
4. Приёмное устройство — контроллер, ПЛК, индикатор уровня или SCADA-система.

Рекомендации по монтажу:

• Устанавливать датчик в центре крышки, подальше от стенок и перемешивающих устройств.
• Избегать установки над вводами, трубами, мешалками.
• Заземлять корпус и кабель в условиях высокой электромагнитной помехи.

Технические характеристики микроволновых уровнемеров

Когда применяются микроволновые уровнемеры?

Микроволновые уровнемеры выбирают, когда:

• Нужна высокая точность и надёжность.
• Среда агрессивная, горячая, под давлением.
• Есть пена, пар, пыль или вибрации.
• Невозможно использовать поплавковые, ультразвуковые или гидростатические датчики.
• Требуется бесконтактное измерение без обслуживания.
• Ёмкость большая или сложной формы.

Микроволновые уровнемеры — это передовое решение для точного и безопасного измерения уровня в самых сложных промышленных условиях. Благодаря бесконтактному принципу работы, высокой устойчивости к внешним воздействиям и длительному сроку службы, они становятся стандартом в современных системах автоматизации.

При выборе микроволнового уровнемера важно учитывать тип среды, размеры ёмкости, условия монтажа и требуемый выходной сигнал. Правильно подобранное устройство обеспечит стабильную работу технологического процесса и снизит эксплуатационные расходы.

Заказать звонок инженера