È possibile utilizzare un indicatore di livello radar per serbatoi con un elevato livello di interferenza acustica?

Se ti sei mai trovato accanto a un parco serbatoi di una raffineria in un pomeriggio caldo, probabilmente hai sentito vibrazioni basse e vibranti che ti fanno tremare il petto: interferenze acustiche nella sua forma più cruda e costante. Per gli operatori incaricati di effettuare misurazioni di livello accurate, quello stesso ronzio, più il clangore delle pompe, lo sfiato del vapore e persino il debole eco del prodotto che scivola all'interno di un serbatoio, non è solo rumore di fondo: è una minaccia per i dati che mantengono le strutture sicure, conformi e redditizie. Per anni, molti team industriali hanno ritenuto che i serbatoi ad alto livello acustico fossero “impossibili” per i misuratori radar, partendo dal presupposto che il suono avrebbe soffocato i segnali radar nel modo in cui l’elettricità statica offusca una radio. In qualità di fornitore di Radar Tank Gauge con decenni di implementazioni sul campo, sono qui per condividere che questo mito è proprio questo e che la moderna tecnologia radar è costruita per prosperare, non per lottare, anche in ambienti in cui l'interferenza acustica fa parte del ritmo quotidiano.

Innanzitutto, eliminiamo un errore comune: interferenza acustica e distorsione del segnale radar. L'energia acustica è costituita da onde sonore, vibrazioni che viaggiano attraverso l'aria o il liquido, con frequenze che possono variare da rimbombi bassi (20 Hz o meno) a lamenti acuti (20 kHz). Il radar, al contrario, utilizza onde elettromagnetiche (EM), che operano su bande di frequenza completamente diverse (tipicamente da 1 GHz a 100 GHz per gli indicatori di livello industriali) e non interagiscono con le onde sonore in un modo da causare la corruzione del segnale, almeno non direttamente. Il vero problema che l'interferenza acustica pone per i misuratori radar dei serbatoi non è che soffoca il radar stesso, ma che crea rumore spurio nell'elaborazione del segnale del misuratore. Pensatela in questo modo: il vostro radar invia un impulso EM focalizzato che rimbalza sulla superficie del prodotto del serbatoio, torna indietro e l'indicatore misura il tempo di volo per calcolare il livello. Ma qualsiasi rumore elettrico indesiderato, vibrazione meccanica o persino diafonia da altri misuratori vicini può aggiungere "falsi echi" al segnale, facendo credere al misuratore di ricevere un impulso da qualche parte che non lo è. È qui che l'interferenza acustica alza la testa: alcune delle fonti più comuni di quel rumore spurio sono le vibrazioni meccaniche di pompe, agitatori o persino la flessione della struttura del serbatoio che possono tradursi in rumore elettrico nell'elettronica del misuratore o creare piccoli disturbi EM casuali che interferiscono con l'elaborazione del segnale.

I primi misuratori radar per serbatoi, in particolare i vecchi modelli di riflettometria nel dominio del tempo (TDR), avevano difficoltà con questo perché si basavano su una semplice media del segnale che non era in grado di distinguere tra gli echi reali della superficie del prodotto e il rumore casuale proveniente da fonti acustiche. Ma la tecnologia radar odierna si è evoluta per risolvere questo problema frontalmente, e la prova è nelle implementazioni nel mondo reale in tutti i settori che devono affrontare interferenze acustiche elevate e costanti: raffinerie di petrolio e gas, impianti di trattamento chimico, impianti di trattamento delle acque reflue e persino grandi impianti di lavorazione di alimenti e bevande con serbatoi dotati di agitatore.

Cominciamo con i misuratori radar a onda guidata (GWR), che sono una delle nostre soluzioni più popolari per applicazioni ad alta interferenza. A differenza del radar senza contatto, che invia un impulso attraverso l'aria alla superficie del prodotto, il GWR trasmette l'impulso lungo una sonda (cavo o asta) che si trova all'interno del serbatoio, quindi l'impulso EM è vincolato alla sonda. Ciò lo rende molto meno suscettibile al rumore proveniente dall’ambiente del serbatoio, comprese le interferenze acustiche che creano echi spuri nell’aria, perché l’impulso viaggia lungo un percorso solido e dedicato. Per i serbatoi ad alta acustica con elevata turbolenza, agitatori o vibrazioni meccaniche costanti, il segnale focalizzato di GWR è un punto di svolta. Il nostro radar a onda guidata a doppio cavo SLDL5526 ne è un esempio perfetto: è progettato per serbatoi con turbolenza del prodotto fino al 100%, che spesso va di pari passo con un elevato rumore acustico proveniente da agitatori o pompe di ricircolo. Un recente impiego presso il serbatoio di alimentazione del petrolio greggio di una raffineria del Midwest presentava un rumore acustico costante proveniente da 10 grandi pompe di ricircolo in funzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7, oltre a un agitatore a velocità variabile che creava una turbolenza del prodotto abbastanza forte da interferire con i vecchi indicatori di livello. Prima di passare all'SLDL5526, l'impianto doveva affrontare errori di misurazione del livello fino a 1,2 piedi, che portavano al riempimento eccessivo o insufficiente del serbatoio di alimentazione e a tempi di fermo inutili. Dopo l'installazione, il design a doppio cavo dell'SLDL5526 ha aiutato a filtrare il rumore confrontando due impulsi EM identici che viaggiano lungo sonde separate, eliminando gli echi spuri dalle vibrazioni acustiche. L'impianto ha riportato una precisione del livello entro 0,1 pollici, anche durante i cicli della pompa che producevano fino a 85 dB di rumore acustico, alla pari con il livello di rumore di un ufficio affollato, ma abbastanza costante da superare indicatori inferiori.

Per i serbatoi che operano in condizioni estreme, come alte temperature o alte pressioni, che spesso sono accompagnate anche da elevate vibrazioni acustiche provenienti da sistemi di riscaldamento o regolatori di pressione, il nostro radar a onda guidata con cavo per alte temperature SLDL5524 è costruito per gestire queste duplici sfide. L'anno scorso ho lavorato con un impianto chimico specializzato che aveva un serbatoio del reattore da 50.000 galloni contenente polimero fuso a 450 ° F, con un sistema di ricircolo del vapore che generava un rombo acustico costante a bassa frequenza. L'impianto aveva provato prima i misuratori di livello a ultrasuoni, che fallirono nel giro di un mese perché l'alta temperatura distorceva le onde sonore, e persino un radar standard senza contatto che non riusciva a filtrare il rumore delle vibrazioni meccaniche. La sonda a cavo per alte temperature dell'SLDL5524 è costruita per resistere a condizioni termiche estreme e il suo algoritmo avanzato di elaborazione del segnale è in grado di distinguere tra gli echi reali della superficie del prodotto e il rumore proveniente dalla struttura vibrante del serbatoio. Il misuratore funziona ormai da 18 mesi senza tempi di inattività e la precisione della misurazione del livello è entro 0,2 pollici, anche quando il sistema a vapore raggiunge la pressione massima, aggiungendo ulteriore rumore acustico alla miscela.

Ma il radar a onda guidata non è l'unica soluzione per le interferenze acustiche elevate: anche il radar senza contatto ha fatto notevoli progressi, in particolare la tecnologia radar a sfasamento. La nostra serie di array a spostamento di fase SLDL53-40 è un ottimo esempio di radar senza contatto che eccelle in ambienti ad alto rumore. A differenza del radar senza contatto di base, che utilizza una singola antenna per inviare e ricevere segnali, il radar a sfasamento utilizza una griglia di piccole antenne che lavorano insieme per focalizzare l'impulso radar in un raggio stretto e stretto. Grazie al raggio focalizzato, l'impulso colpisce solo la superficie del prodotto e non le pareti del serbatoio, i tubi o altre apparecchiature che possono riflettere echi spuri derivanti dalle vibrazioni acustiche. Per i serbatoi di stoccaggio di grandi dimensioni che non necessitano di una sonda che attraversa il prodotto (alcune industrie vietano le sonde per motivi sanitari, come alimenti e bevande, o perché il prodotto è troppo viscoso), questo è l'ideale. Un birrificio artigianale nel Pacifico nord-occidentale ci ha contattato l'anno scorso con un problema: i loro serbatoi di fermentazione da 200 barili erano dotati di agitatori che funzionavano a 300 giri al minuto, creando un lamento acustico acuto che faceva leggere in modo irregolare i loro vecchi indicatori di livello a ultrasuoni durante la fase di fermentazione attiva. Non potevano utilizzare GWR perché le normative sanitarie vietano la presenza di oggetti estranei all'interno dei recipienti di fermentazione, quindi abbiamo consigliato l'array Phase-Shift SLDL53-40. La tecnologia ad array del misuratore consente di filtrare gli echi provenienti dall'agitatore e dalle pareti del serbatoio concentrando il raggio direttamente sulla superficie del liquido, anche quando il rumore acustico proveniente dal processo di fermentazione (e dall'agitatore) arriva fino a 90 dB. È in uso ormai da un anno e il birrificio riporta misurazioni accurate del livello durante tutta la fermentazione, anche durante le fasi più turbolente.

Naturalmente, non tutti i serbatoi ad alta acustica sono uguali e talvolta è necessario un manometro in grado di gestire sia la pressione estrema, la temperatura che il rumore acustico. È qui che entra in gioco il nostro radar ad alta temperatura e alta pressione SLDL5228, progettato per serbatoi che funzionano fino a 800 °F e 1500 PSI, comuni nella produzione di energia o nella lavorazione chimica pesante. Questi ambienti presentano un rumore acustico costante proveniente da valvole ad alta pressione, vibrazioni dei tubi e sistemi di caldaie, pertanto SLDL5228 utilizza un'elaborazione avanzata del segnale digitale (DSP) in grado di separare gli echi reali dal rumore analizzando la forma e la tempistica dell'impulso. Recentemente ho visitato una centrale elettrica nel sud-ovest che aveva un serbatoio di alimentazione della caldaia da 100.000 galloni con rumore acustico costante proveniente da due pompe ad alta pressione e un sistema di sfiato. L'impianto utilizzava un indicatore di livello meccanico che richiedeva una calibrazione settimanale e i livelli imprecisi portavano a interventi occasionali della caldaia. Dopo aver installato SLDL5228, l'impianto ha ridotto la frequenza di calibrazione a ogni sei mesi e gli interventi della caldaia dovuti a errori di livello sono scesi a zero, anche quando le pompe funzionavano, aggiungendo ulteriore rumore acustico al serbatoio.

Una domanda comune che ricevo dagli operatori è: "E i serbatoi che contengono schiuma? L'interferenza acustica e la schiuma rendono inutili gli indicatori radar?" È una preoccupazione fondata: la schiuma può creare un'eco secondaria e la vibrazione acustica può far muovere la schiuma in modo da distorcere i segnali. Ma il nostro SLDL5215Radar Tank Gauge, un versatile radar senza contatto di fascia media, include uno speciale algoritmo di rilevamento della schiuma che funziona insieme al filtraggio del rumore per distinguere tra la schiuma e la superficie effettiva del prodotto. Ad esempio, un impianto di trattamento delle acque reflue nel sud-est era dotato di serbatoi di aerazione con schiuma pesante e rumore acustico costante proveniente dai ventilatori di aerazione, creando una tempesta perfetta di problemi di misurazione del livello. Avevano già provato diversi misuratori, tutti falliti, finché non abbiamo installato SLDL5215. L'algoritmo del misuratore filtra il rumore acustico del ventilatore, identifica lo strato di schiuma e misura sia lo spessore della schiuma che il livello effettivo del liquido con una precisione entro 0,3 pollici, cosa che i misuratori più vecchi non potevano fare.

Ora, affrontiamo l'elefante nella stanza: perché alcuni misuratori radar dei serbatoi continuano a non funzionare in ambienti ad alta acustica? Si tratta di due fattori chiave: elaborazione obsoleta del segnale e scarsa corrispondenza tra manometro e serbatoio. Molti misuratori radar economici e entry-level utilizzano la media del segnale di base che non tiene conto del rumore in tempo reale, quindi finiscono per calcolare la media degli echi spuri delle vibrazioni acustiche nelle letture del livello. L’altro errore è scegliere un misuratore unico per un ambiente unico. Ad esempio, posizionare un radar standard senza contatto su un serbatoio con un potente agitatore potrebbe funzionare in un laboratorio silenzioso, ma sul campo la vibrazione meccanica crea un rumore elettrico sufficiente a far cadere l'indicatore. Ecco perché, come fornitore, non ci limitiamo a vendere manometri: lavoriamo con gli operatori per valutare l'ambiente specifico del serbatoio: livelli di rumore acustico, tipo di prodotto, dimensioni del serbatoio, pressione, temperatura e qualsiasi altra variabile unica, per consigliare il manometro giusto.

La buona notizia è che i tempi in cui si consideravano non misurabili i serbatoi ad alta acustica sono ormai lontani. I misuratori radar dei serbatoi non si preoccupano delle onde sonore, si preoccupano degli impulsi EM, e la tecnologia moderna ha reso quegli impulsi forti, mirati e abbastanza intelligenti da ignorare il rumore proveniente da pompe, agitatori e altre fonti. Dal GWR a doppio cavo per serbatoi di greggio turbolenti ai misuratori senza contatto con array a sfasamento per recipienti di fermentazione sanitari, esiste una soluzione per ogni applicazione ad alta interferenza.

Se hai a che fare con un rumore acustico costante nelle tue operazioni di misurazione del livello e sei stanco di letture irregolari, tempi di inattività o problemi di calibrazione, possiamo aiutarti. Il nostro team ha collaborato con strutture di tutti i settori per implementare misuratori radar per serbatoi che funzionino in modo affidabile anche negli ambienti più rumorosi e difficili, dalle raffinerie ai birrifici alle centrali elettriche. Per saperne di più sulle nostre soluzioni ad alta interferenza acustica o per programmare una consulenza per le vostre specifiche esigenze di serbatoi, contattate oggi stesso il nostro team. Le nostre linee di prodotti, tra cui il radar a onda guidata a doppio cavo SLDL5526, la serie di array a sfasamento SLDL53-40, il radar a onda guidata con cavo per alte temperature SLDL5524, il misuratore radar per serbatoi SLDL5215 e il radar ad alta temperatura e alta pressione SLDL5228, sono tutte realizzate per fornire una precisione costante quando ne hai più bisogno.

Riferimenti

1. Fondamenti di misura del livello: radar e tecnologie acustiche. Pubblicazioni ISA, 2021.
2. Elaborazione del segnale radar industriale per ambienti ad alto rumore. Giornale di controllo dei processi, vol. 38, 2019, pp. 45-52.
3. Applicazioni del radar a onda guidata in serbatoi per liquidi turbolenti. Progresso dell'ingegneria chimica, vol. 115, n. 7, 2020, pp. 32-37.
4. Radar ad array a spostamento di fase per serbatoi di stoccaggio di grandi dimensioni. Petroleum Technology Quarterly, vol. 25, n. 2, 2021, pp. 61-68.
5. Strategie di mitigazione del rumore negli indicatori di livello industriale. Transazioni IEEE sull'elettronica industriale, vol. 67, n. 10, 2020, pagg. 8612-8620.