Czy wskaźnik radarowy można stosować w zbiornikach o wysokim poziomie zakłóceń akustycznych?

Jeśli kiedykolwiek w upalne popołudnie stałeś obok farmy zbiorników rafinerii, prawdopodobnie poczułeś niskie, dudniące wibracje, od których trzeszczała Ci klatka piersiowa – zakłócenia akustyczne w najsurowszej, najbardziej stałej formie. Dla operatorów, których zadaniem jest dokładny pomiar poziomu, ten sam szum, brzęk pomp, ulatnianie się pary, a nawet słabe echo produktu przelewającego się w zbiorniku, to nie tylko hałas w tle — to zagrożenie dla danych, które zapewniają bezpieczeństwo, zgodność i rentowność obiektów. Przez lata wiele zespołów przemysłowych uznawało zbiorniki wysokoakustyczne za „niemożliwe” dla wskaźników radarowych, zakładając, że dźwięk zagłuszy sygnały radarowe w taki sam sposób, w jaki zakłócenia zakłócają radio. Jako dostawca radarowych mierników zbiornika z dziesięcioletnim doświadczeniem w terenie, jestem tutaj, aby podzielić się tym, że ten mit jest właśnie tym i że nowoczesna technologia radarowa została zbudowana tak, aby się rozwijać, a nie walczyć, nawet w środowiskach, w których zakłócenia akustyczne są częścią codziennego rytmu.

Najpierw przeanalizujmy powszechne pomyłkę: zakłócenia akustyczne a zniekształcenia sygnału radarowego. Energia akustyczna to fale dźwiękowe — wibracje rozchodzące się w powietrzu lub cieczy, o częstotliwościach od niskich dudnień (20 Hz lub mniej) do wysokich pisków (20 kHz). Radar natomiast wykorzystuje fale elektromagnetyczne (EM), które działają w zupełnie innych pasmach częstotliwości (zwykle od 1 GHz do 100 GHz w przypadku przemysłowych mierników poziomu) i nie wchodzą w interakcję z falami dźwiękowymi w sposób powodujący zniekształcenie sygnału — przynajmniej nie bezpośrednio. Prawdziwym problemem, jaki stwarzają zakłócenia akustyczne dla wskaźników radarowych w zbiornikach, nie jest to, że zagłuszają one sam radar, ale powodują powstawanie fałszywych szumów w przetwarzaniu sygnału przez miernik. Pomyśl o tym w ten sposób: Twój radar wysyła skupiony impuls elektromagnetyczny, który odbija się od powierzchni produktu w zbiorniku, wraca, a miernik mierzy czas lotu w celu obliczenia poziomu. Jednak każdy niepożądany szum elektryczny, wibracje mechaniczne, a nawet przesłuchy z innych pobliskich mierników mogą dodać do sygnału „fałszywe echa” – sprawiając, że miernik będzie myślał, że odbiera impuls skądś, gdzie tak nie jest. Właśnie tam pojawiają się zakłócenia akustyczne: najczęstszymi źródłami tego fałszywego hałasu są wibracje mechaniczne pomp, mieszadeł, a nawet naprężenia konstrukcji zbiornika, które mogą przełożyć się na zakłócenia elektryczne w elektronice miernika lub stworzyć małe, losowe zakłócenia elektromagnetyczne, które zakłócają przetwarzanie sygnału.

Wczesne radarowe mierniki zbiorników, zwłaszcza starsze modele reflektometrii w dziedzinie czasu (TDR), miały z tym problem, ponieważ polegały na prostym uśrednianiu sygnału, które nie pozwalało na rozróżnienie pomiędzy rzeczywistymi echami powierzchni produktu a przypadkowym szumem ze źródeł akustycznych. Jednak dzisiejsza technologia radarowa ewoluowała, aby bezpośrednio rozwiązać ten problem, czego dowodem są rzeczywiste wdrożenia w branżach, które borykają się z ciągłymi wysokimi zakłóceniami akustycznymi: rafinerie ropy i gazu, zakłady przetwórstwa chemicznego, oczyszczalnie ścieków, a nawet duże zakłady przetwórstwa żywności i napojów ze zbiornikami wyposażonymi w mieszadła.

Zacznijmy od mierników radaru falowodowego (GWR), które są jednym z naszych najpopularniejszych rozwiązań do zastosowań o wysokich zakłóceniach. W przeciwieństwie do radaru bezdotykowego, który wysyła impuls drogą powietrzną na powierzchnię produktu, GWR przepuszcza ten impuls wzdłuż sondy (kabla lub pręta) umieszczonej wewnątrz zbiornika, więc impuls EM jest ograniczony do sondy. To sprawia, że ​​jest on znacznie mniej podatny na hałas z otoczenia zbiornika, w tym na zakłócenia akustyczne, które tworzą fałszywe echa w powietrzu, ponieważ impuls przemieszcza się stałą, wydzieloną ścieżką. W przypadku zbiorników o wysokim poziomie hałasu, charakteryzujących się dużą turbulencją, mieszadłami lub stałymi wibracjami mechanicznymi, skupiony sygnał GWR zmienia zasady gry. Nasz dwuprzewodowy radar z falą kierowaną SLDL5526 jest tutaj doskonałym przykładem: jest przeznaczony do zbiorników, w których występuje turbulencja produktu do 100%, która często idzie w parze z wysokim poziomem hałasu generowanego przez mieszadła lub pompy recyrkulacyjne. Niedawne wdrożenie w zbiorniku zasilającym ropę naftową rafinerii Midwest wiązało się z ciągłym hałasem akustycznym pochodzącym z 10 dużych pomp recyrkulacyjnych pracujących 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu oraz mieszadła o zmiennej prędkości, które wytwarzały turbulencje produktu na tyle silne, że zakłócały starsze wskaźniki poziomu. Przed przejściem na SLDL5526 w zakładzie występowały błędy pomiaru poziomu sięgające 1,2 stopy, co prowadziło do przepełnienia lub niedopełnienia zbiornika zasilającego i niepotrzebnych przestojów. Po instalacji konstrukcja SLDL5526 z dwoma kablami pomogła w odfiltrowaniu szumów poprzez porównanie dwóch identycznych impulsów elektromagnetycznych przemieszczających się wzdłuż oddzielnych sond, eliminując fałszywe echa pochodzące z wibracji akustycznych. Zakład zgłosił dokładność poziomu w granicach 0,1 cala, nawet podczas cykli pomp, które wytwarzały hałas akustyczny o natężeniu do 85 dB — porównywalnym z poziomem hałasu w ruchliwym biurze, ale wystarczająco stałym, aby przełamać mniejsze wskaźniki.

W przypadku zbiorników pracujących w ekstremalnych warunkach — takich jak wysokie temperatury lub wysokie ciśnienia, którym często towarzyszą także podwyższone wibracje akustyczne pochodzące z systemów grzewczych lub regulatorów ciśnienia — nasz wysokotemperaturowy radar z falą przewodzoną SLDL5524 został zbudowany tak, aby sprostać tym dwóm wyzwaniom. W zeszłym roku współpracowałem ze specjalistycznymi zakładami chemicznymi, które miały zbiornik reaktora o pojemności 50 000 galonów, w którym znajdował się stopiony polimer o temperaturze 450°F, z systemem recyrkulacji pary, który generował spójne dudnienie akustyczne o niskiej częstotliwości. W zakładzie wypróbowano najpierw ultradźwiękowe wskaźniki poziomu, które zawiodły w ciągu miesiąca, ponieważ wysoka temperatura zniekształcała fale dźwiękowe, a nawet standardowy bezdotykowy radar, który nie był w stanie odfiltrować hałasu wibracji mechanicznych. Sonda kablowa SLDL5524 odporna na wysokie temperatury jest zbudowana tak, aby wytrzymać te ekstremalne warunki termiczne, a jej zaawansowany algorytm przetwarzania sygnału potrafi rozróżnić echa powierzchni rzeczywistego produktu od szumu pochodzącego z wibrującej struktury zbiornika. Miernik działa już od 18 miesięcy bez przestojów, a dokładność pomiaru poziomu mieści się w granicach 0,2 cala – nawet gdy ciśnienie w układzie parowym wzrasta do maksymalnego, powodując dodatkowy hałas akustyczny w mieszance.

Jednak radar falowodowy nie jest jedynym rozwiązaniem w przypadku dużych zakłóceń akustycznych — radary bezkontaktowe również znacznie się rozwinęły, zwłaszcza technologia radarów z przesunięciem fazowym. Nasza seria układów z przesunięciem fazowym SLDL53-40 jest doskonałym przykładem radaru bezkontaktowego, który doskonale sprawdza się w środowiskach o wysokim poziomie hałasu. W przeciwieństwie do podstawowego radaru bezkontaktowego, który wykorzystuje pojedynczą antenę do wysyłania i odbierania sygnałów, radar z przesunięciem fazowym wykorzystuje siatkę małych anten, które współpracują ze sobą w celu skupienia impulsu radaru w wąską, wąską wiązkę. Ta skupiona wiązka oznacza, że ​​impuls uderza tylko w powierzchnię produktu, a nie w ściany zbiornika, rury lub inny sprzęt, który może odbijać fałszywe echa pochodzące od wibracji akustycznych. Jest to idealne rozwiązanie w przypadku dużych zbiorników magazynujących, które nie wymagają sondy przepływającej przez produkt (niektóre branże zabraniają stosowania sond ze względów sanitarnych, np. w przypadku żywności i napojów lub ze względu na zbyt dużą lepkość produktu). W zeszłym roku browar rzemieślniczy na północno-zachodnim wybrzeżu Pacyfiku skontaktował się z nami z problemem: jego 200-beczkowe zbiorniki fermentacyjne były wyposażone w mieszadła pracujące z prędkością 300 obr./min, co powodowało wysoki dźwięk akustyczny, który powodował, że stare ultradźwiękowe wskaźniki poziomu odczytywały nieprawidłowo podczas aktywnej fazy fermentacji. Nie mogli zastosować GWR, ponieważ przepisy sanitarne zabraniają umieszczania ciał obcych w naczyniach fermentacyjnych, dlatego zaleciliśmy układ przesunięcia fazowego SLDL53-40. Technologia matrycy miernika pozwala na odfiltrowanie echa od mieszadła i ścian zbiornika poprzez skupienie wiązki światła bezpośrednio na powierzchni cieczy, nawet gdy hałas akustyczny z procesu fermentacji (i mieszadła) osiąga do 90 dB. Jest używany już od roku, a browar raportuje dokładne pomiary poziomu podczas całej fermentacji, nawet w najbardziej burzliwych fazach.

Oczywiście nie wszystkie zbiorniki o wysokiej akustyce są takie same i czasami potrzebny jest manometr, który wytrzyma zarówno ekstremalne ciśnienie, temperaturę, jak i hałas akustyczny. Właśnie tu z pomocą przychodzi nasz radar wysokotemperaturowy i wysokociśnieniowy SLDL5228, przeznaczony do zbiorników pracujących w temperaturach do 800°F i 1500 PSI – powszechnie stosowanych w energetyce lub ciężkim przetwarzaniu chemicznym. W środowiskach tych występuje stały hałas akustyczny powodowany przez zawory wysokociśnieniowe, wibracje rur i systemy kotłów, dlatego SLDL5228 wykorzystuje zaawansowane cyfrowe przetwarzanie sygnału (DSP), które może oddzielić prawdziwe echa od hałasu poprzez analizę kształtu i czasu impulsu. Niedawno odwiedziłem elektrownię na południowym zachodzie, która posiadała zbiornik zasilający kocioł o pojemności 100 000 galonów, z którym stale wydobywał się hałas pochodzący z dwóch pomp wysokociśnieniowych i systemu odpowietrzającego. W zakładzie stosowano mechaniczny wskaźnik poziomu, który wymagał cotygodniowej kalibracji, a niedokładne poziomy prowadziły do ​​sporadycznych wyłączeń kotła. Po zainstalowaniu SLDL5228 zakład zmniejszył częstotliwość kalibracji do sześciu miesięcy, a wyłączenia kotła z powodu błędów poziomu spadły do ​​zera – nawet gdy pompy pracowały cyklicznie, co dodatkowo zwiększało hałas akustyczny w zbiorniku.

Częstym pytaniem, jakie otrzymuję od operatorów, jest: "A co ze zbiornikami wyposażonymi w piankę? Czy zakłócenia akustyczne w połączeniu z pianą sprawiają, że wskaźniki radarowe są bezużyteczne?" To uzasadniona obawa — pianka może wytwarzać echo wtórne, a wibracje akustyczne mogą powodować przemieszczanie się piany w sposób zniekształcający sygnały. Jednak nasz SLDL5215Radar Tank Gauge, wszechstronny, bezdotykowy radar średniego zasięgu, zawiera specjalny algorytm wykrywania piany, który współpracuje z filtrowaniem szumów, aby odróżnić piankę od rzeczywistej powierzchni produktu. Na przykład oczyszczalnia ścieków na południowym wschodzie posiadała zbiorniki napowietrzające z ciężką pianą i ciągłym hałasem akustycznym wytwarzanym przez dmuchawy napowietrzające, co spowodowało doskonałą burzę problemów z pomiarem poziomu. Próbowali już wcześniej wielu mierników, ale wszystkie kończyły się niepowodzeniem, dopóki nie zainstalowaliśmy SLDL5215. Algorytm miernika odfiltrowuje hałas dmuchawy, identyfikuje warstwę piany i mierzy zarówno grubość piany, jak i rzeczywisty poziom cieczy z dokładnością do 0,3 cala – czego starsze mierniki nie były w stanie zrobić.

A teraz zajmijmy się słoniem w pokoju: dlaczego niektóre radarowe wskaźniki zbiorników nadal nie działają w środowiskach o wysokim poziomie akustyki? Sprowadza się to do dwóch kluczowych czynników: przestarzałego przetwarzania sygnału i słabego dopasowania miernika do zbiornika. Wiele tanich, podstawowych mierników radarowych wykorzystuje podstawowe uśrednianie sygnału, które nie uwzględnia szumu w czasie rzeczywistym, więc ostatecznie uśredniają fałszywe echa pochodzące z wibracji akustycznych do odczytów poziomu. Drugim błędem jest wybór uniwersalnego miernika dla wyjątkowego środowiska. Na przykład umieszczenie standardowego radaru bezdotykowego na zbiorniku z silnym mieszadłem może działać w cichym laboratorium, ale w terenie wibracje mechaniczne wytwarzają szum elektryczny wystarczający do zepsucia wskaźnika. Dlatego jako dostawca nie sprzedajemy tylko manometrów — współpracujemy z operatorami, aby ocenić specyficzne środowisko zbiornika: poziom hałasu, typ produktu, rozmiar zbiornika, ciśnienie, temperaturę i wszelkie inne unikalne zmienne, aby zalecić odpowiedni manometr.

Dobra wiadomość jest taka, że ​​czasy, w których zbiorniki o wysokim poziomie hałasu były spisywane jako niemierzalne, już dawno minęły. Radarowe wskaźniki zbiorników nie zwracają uwagi na fale dźwiękowe – interesują się impulsami elektromagnetycznymi – a nowoczesna technologia sprawiła, że ​​impulsy te są mocne, skupione i wystarczająco inteligentne, aby ignorować hałas pochodzący z pomp, mieszadeł i innych źródeł. Od dwuprzewodowego GWR do zbiorników z turbulentną ropą po bezdotykowe wskaźniki z przesunięciem fazowym do sanitarnych zbiorników fermentacyjnych – istnieje rozwiązanie dla każdego zastosowania charakteryzującego się wysokimi zakłóceniami.

Jeśli podczas pomiarów poziomu masz do czynienia ze stałym hałasem akustycznym i masz dość błędnych odczytów, przestojów lub problemów z kalibracją, możemy Ci pomóc. Nasz zespół współpracował z obiektami z różnych branż, aby wdrożyć radarowe wskaźniki zbiorników, które działają niezawodnie nawet w najgłośniejszych i najbardziej wymagających środowiskach, od rafinerii, przez browary, po elektrownie. Aby dowiedzieć się więcej na temat naszych rozwiązań w zakresie silnych zakłóceń akustycznych lub umówić się na konsultację dotyczącą konkretnych potrzeb zbiornika, skontaktuj się z naszym zespołem już dziś. Nasze linie produktów, w tym dwuprzewodowy radar z falą kierowaną SLDL5526, seria SLDL53-40 z przesunięciem fazowym, wysokotemperaturowy radar z falą przewodzoną SLDL5524, radarowy wskaźnik zbiornika SLDL5215 oraz radar wysokotemperaturowy i wysokociśnieniowy SLDL5228, zostały zbudowane tak, aby zapewniać stałą dokładność wtedy, gdy jest ona najbardziej potrzebna.

Referencje

1. Podstawy pomiaru poziomu: radar a technologie akustyczne. Publikacje ISA, 2021.
2. Przemysłowe przetwarzanie sygnału radarowego w środowiskach o wysokim poziomie hałasu. Journal of Process Control, tom. 38, 2019, s. 45-52.
3. Zastosowania radarów falowodowych w turbulentnych zbiornikach cieczy. Postęp inżynierii chemicznej, tom. 115, nie. 7, 2020, s. 32-37.
4. Radar z przesunięciem fazowym dla dużych zbiorników magazynowych. Kwartalnik Technologii Naftowej, tom. 25, nie. 2.2021, s. 61-68.
5. Strategie ograniczania hałasu w przemysłowych miernikach poziomu. Transakcje IEEE dotyczące elektroniki przemysłowej, tom. 67, nie. 10.2020, s. 8612-8620.