VDI VDE 3519 Blatt 13-2012 Level measurement - Microwave methods.pdf

1、ICS 17.060, 23.020.10, 55.220 VDI/VDE-RICHTLINIEN Dezember 2012 December 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Fllstandmesstechnik Mikrowellenverfahren Level measurement Microwave methods VDI/VDE 3519 Blatt 13 / Part 13 Ausg. deutsch/englisch Issu

2、e German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Prozessmesstechn

3、ik und Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI-Handbuch Technische Logistik, Band 4: Schttgut-Frdertechnik Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgaben:05.11.Entwurf,deutsch;VDI/VDE 3519B

4、latt2:2002-10Zu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten / Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Formereditions:05/11 Draft,in German only;VDI/VDE3519Part2:2002-10Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsb

5、ereich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen und Abkrzungen . 3 5 Radar-Laufzeitmessung . 4 5.1 Messprinzip 6 5.2 Einsatzbereich 6 5.3 Messverfahren und Messeinrichtungen 7 5.4 Messanordnungen 11 5.5 Messunsicherheiten 17 5.6 Leistungsbilanz bei freistrahlenden Systemen 17 6 Mikrow

6、ellengrenzstandschalter mittels Absorptionsmessung . 20 6.1 Messprinzip 20 6.2 Einsatzbereich 21 6.3 Messverfahren und Messeinrichtung . 21 6.4 Messanordnungen 22 6.5 Messunsicherheiten 22 7 Gefhrtes Mikrowellenmessverfahren (TDR) 23 7.1 Messprinzip 24 7.2 Einsatzbereich 24 7.3 Messverfahren und Mes

7、seinrichtung . 24 7.4 Messanordnungen 32 7.5 Messunsicherheiten 38 Schrifttum 40 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols and abbreviations . 3 5 Radar propagation time measurement . 4 5.1 Measurement principle 6 5.2 Application 6

8、 5.3 Measurement method and measuring devices . 7 5.4 Measurement arrangements . 11 5.5 Measurement uncertainties 17 5.6 Power balance in free-field emission systems 17 6 Microwave limit level switch through absorption measurement . 20 6.1 Measurement principle 20 6.2 Application 21 6.3 Measurement

9、method and measuring device . 21 6.4 Measurement arrangements . 22 6.5 Measurement uncertainties 22 7 Guided microwave measurement method (TDR) 23 7.1 Measurement principle 24 7.2 Application 24 7.3 Measurement method and measuring device . 24 7.4 Measurement arrangements . 32 7.5 Measurement uncert

10、ainties 38 Bibliography 40 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI/VDE 3519 Blatt 13 / Part 13 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dies

11、er Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlini

12、e ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline

13、has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extract

14、s. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde erarbeitet vom Fa

15、chaus-schuss Fllstandmesstechnik“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Die Richtlinienreihe VDI/VDE 3519 beschreibt die Fllstandmessung von Flssigkeiten und Feststof-fen (Schttgtern). Es werden Erluterungen zur Bewertung der einzelnen Messverfahren sowie Hinweise fr die geeign

16、ete Anwendung der Ver-fahren angegeben. Die Richtlinienreihe besteht aus folgenden Blttern: Blatt 1 Grundlagen Blatt 2 Sichtverfahren Blatt 3 Schwimmerverfahren Blatt 4 Verdrngerverfahren Blatt 5 Bodendruckverfahren Blatt 6 Wgeverfahren Blatt 7 Messen durch Bremsen und Hemmen von Bewegungen Blatt 8

17、Widerstandsverfahren Blatt 9 Kapazitiv- und Admittanzverfahren Blatt 10 Wrmeableitungsverfahren Blatt 11 Radiometrische Verfahren Blatt 12 Schall- und Ultraschallverfahren Blatt 13 Mikrowellenverfahren Blatt 14 Optische Verfahren Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist i

18、m Internet abrufbar unter www.vdi.de/3519. Introduction This guideline was prepared by the “level meas-urement” committee of the VDI/VDE Society for Measurement and Automatic Control. The series of guidelines VDI/VDE 3519 describes the level measurement of liquids and solids (bulk solids). It provid

19、es information on the assessment of measurement methods and on appropriate appli-cation of these methods. The series of guidelines consists of the following parts: Part 1 Fundamentals Part 2 Visual methods Part 3 Float methods Part 4 Displacer methods Part 5 Ground pressure methods Part 6 Weighing m

20、ethod Part 7 Measuring by retarding und restricting of movements Part 8 Electrical resistance methods Part 9 Capacitive and admittance methods Part 10 Heat dissipation method Part 11 Radiometric methods Part 12 Sound and ultrasound methods Part 13 Microwave methods Part 14 Optical methods A catalogu

21、e of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3519. 1 Anwendungsbereich Die vorliegende Richtlinie beschreibt die Fll-standmessung mit Mikrowellenverfahren. Sie gilt nur zusammen mit dem Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI/VDE 3519. 1 Scope This gui

22、deline describes level measurements using microwave methods. It should be read in conjunc-tion with Part 1 of the series of guidelines VDI/VDE 3519. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights res

23、erved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 1 / Part 13 3 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 3519 Blatt 1:2012-12 Fllstandmesstech-nik; Grundlagen 2 Normative references The following referen

24、ced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 3519 Part 1:2012-12 Level measurement; Fundamentals 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach VDI/VDE 3519 Blatt 1. 3 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the terms and def

25、initions as per VDI/VDE 3519 Part 1 apply. 4 Formelzeichen und Abkrzungen Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Benennung Einheit A ffnungsflche (Apertur) der Antenne m B Messbandbreite Hz c Lichtgeschwindigkeit in der Gasphase

26、 m/s c0Lichtgeschwindigkeit im Vakuum m/s DAAntennendurchmesser (an ffnung) m DSRohrinnendurchmesser m f Frequenz Hz f0Wiederholfrequenz Hz fdDifferenzfrequenz Hz feEmpfangsfrequenz Hz fsSendefrequenz Hz fTTrgerfrequenz Hz f Differenzfrequenz (Zwischen-frequenz) Hz G Antennengewinn 1 GRReflektivitt

27、der Messstoffober-flche 1 GSStreckendmpfung 1 G2Reflektivitt zwischen Gas und oberer Flssigkeit 1 G21Reflektivitt zwischen oberer und unterer Flssigkeit 1 hbMessbereich m hlLeerhhe (im Behlter) m hlSsensorbezogene Leerhhe m ht2Schichtdicke der oberen Schicht m hxFllstand ab Messanfang m hvscheinbare

28、r Abstand zur Phasen-grenze der Trennschicht m h scheinbare Tankhhe m 4 Symbols and abbreviations Symbols The following symbols are used throughout this guideline: Symbol Term Unit A antenna aperture m B measurement bandwidth Hz c speed of light in the gas phase m/s c0speed of light in vacuum m/s DA

29、antenna diameter (at the aperture) m DSpipes internal diameter m f frequency Hz f0repetition frequency Hz fdfrequency difference Hz fereceived frequency Hz fsemitted frequency Hz fTcarrier frequency Hz f frequency difference (intermedi-ate frequency) Hz G antenna gain 1 GRreflectivity of the mediums

30、 surface 1 GSpath attenuation 1 G2reflectivity between the gas and the upper liquid 1 G21reflectivity between the upper and the lower liquid 1 hbmeasurement range m hlempty height (in the tank) m hlSsensor-based empty height m ht2top layers thickness m hxlevel above lower range limit m hvapparent di

31、stance to the phase boundary of the interface m h apparent tank height m B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI/VDE 3519 Blatt 13 / Part 13 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V

32、 Dsseldorf 2012 Formel-zeichen Benennung Einheit K Systemkonstante 1 L Tankhhe (im Behlter) m LSSondenlnge bzw. sensorbezoge-ne Tankhhe m PEEmpfangsleistung W PSabgestrahlte Sendeleistung W Pmaxmaximale Sendeleistungsdichte W/m r1erste Reflexion (an Messstoffo-berflche) 1 r2zweite Reflexion (am Ta

33、nkboden bzw. am Sondenende) 1 saZwischenfrequenzsignal 1 srEmpfangssignal 1 stSendesignal 1 t Zeit s tBPulspaketbreite s tpLaufzeit s v Ausbreitungsgeschwindigkeit im Messstoff m/s vSAusbreitungsgeschwindigkeit im Rohr m/s Abstrahlwinkel rDielektrizittszahl 1 r1Dielektrizittszahl des unteren Messsto

34、ffs 1 r2Dielektrizittszahl des oberen Messstoffs 1 Wirkungsgrad der Antenne 1 Wellenlnge m Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Abkrzungen verwendet: FFT Fast Fourier Transformation FMCW Frequency Modulated Continuous Wave LPR Level Probing Radar PVDF Polyvinylidenfluo

35、rid PTFE Polytetraflourethylen TDR Time Domain Reflectometry (Zeitbereichsreflektometrie) Symbol Term Unit K system constant 1 L tank height (in the tank) m LSsensor length or sensor-based tank height m PEreceived power W PSradiated (emitted) power W Pmaxmaximum emitted power density W/m r1first ref

36、lection (at the mediums surface) 1 r2second reflection (at the bottom of the tank or at the sensors end) 1 saintermediate frequency signal 1 srreceived signal 1 stemitted signal 1 t time s tBpulse burst width s tppropagation time s v propagation velocity in the medium m/s vSpropagation velocity in t

37、he pipe m/s beam angle rrelative permittivity 1 r1relative permittivity of the lower medium 1 r2relative permittivity of the upper medium 1 antenna efficiency 1 wavelength m Abbreviations The following abbreviations are used throughout this guideline: FFT fast Fourier transformation FMCW frequency m

38、odulated continuous wave LPR level-probing radar PVDF polyvinylidene fluoride PTFE polytetraflourethylene TDR time-domain reflectometry 5 Radar-Laufzeitmessung Elektromagnetische Wellen knnen sich unabhn-gig von Materie auch im Vakuum ausbreiten. Zur berhrungslosen Fllstandmessung kommen die Laufzei

39、tmessung (Abschnitt 5) und die Absorption (Abschnitt 6) zum Einsatz. Das genutzte Frequenz-spektrum liegt zurzeit zwischen ca. 5 GHz und 27 GHz sowie bei 78 GHz (siehe Bild 1). Da 5 Radar propagation time measurement Electromagnetic waves are able to propagate in a vacuum. Propagation time (Section

40、5) and absorp-tion (Section 6) measurements are used for non-contact level measurements. Currently, the useful frequency spectrum lies between ca. 5 GHz and 27 GHz, plus 78 GHz (see Figure 1). Such de-vices are subject to licensing regulations, since the B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2B

41、F8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 1 / Part 13 5 dieser Frequenzbereich auch funktechnisch genutzt wird, unterliegen diese Gerte Zulassungsvor-schriften. D

42、ie elektromagnetischen Wellen werden mit Oszillatoren erzeugt. Zur Abstrahlung und zum Empfang der Strahlung werden spezielle Anten-nensysteme verwendet. Die genutzten Frequenzen richten sich nach den funktechnischen Zulassungsbestimmungen. In Eu-ropa sind nach der Norm ETSI EN 302 372-1 (fr metalli

43、sche Tanks) bzw. ETSI EN 302 729-1 (fr offene Anwendungsbereiche) Frequenzbnder fr Anwendungen der Fllstandmessung (LPR Level Probing Radar) gem Tabelle 1 zugelassen. Tabelle 1. Frequenzbnder Frequenz-bereich in GHz Zugehriges Frequenz-band Entsprechende Wellenlngen in mm 4,57 a)C-Band 6743 8,510,6

44、b)X-Band 3528 24,0527 c)K-Band 1211 5764 V-Band 5,34,7 7585 W-Band 43,5 a)fr offene Anwendungen: (68,5) GHz (Wellenlnge: (5035) mm) b)nur fr metallische Tanks c)fr offene Anwendungen: maximal 26,5 GHz same frequency range is used for radio communi-cations. The electromagnetic waves are generated by

45、oscillators. Special antenna systems are used for emission and reception. The frequencies in use are regulated by the radio communication licensing provisions. The fre-quency bands permitted in Europe for level meas-urement applications (LPR level-probing radar) under the standards ETSI EN 302 372-1

46、 (for metal tanks) or ETSI EN 302 729-1 (for open applica-tions) are shown in Table 1. Table 1. Frequency bands Frequency range in GHz Associated frequency band Corresponding wavelengths in mm 4,57 a)C-band 6743 8,510,6 b)X-band 3528 24,0527 c)K-band 1211 5764 V-band 5,34,7 75.85 W-band 43,5 a)for o

47、pen applications: (68,5) GHz (wavelength: (5035) mm) b)only for metal tanks c)for open applications: maximum 26,5 GHz Bild 1. Frequenzspektrum elektromagnetischer Strahlung Figure 1. Frequency spectrum of electromagnetic radiation B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74

48、F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 6 VDI/VDE 3519 Blatt 13 / Part 13 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 5.1 Messprinzip Der Abstand zwischen Mikrowellensender und Messstoffoberflche wird mittels Laufzeitmessung bestimmt. Fr Mikr

49、owellen-Fllstandsensoren wird in der Regel die Dichtflche des Prozessanschlusses als Referenzpunkt fr die berhrungslose Abstands-messung definiert. Daher ist die Definition einer sensorbezogenen Leerhhe hlS(Bild 2) ntzlich, fr die gilt: lS l D sth hd h=+ (1) Die zur Parametrierung des Sensors bentigte sen-sorbezogene Tankhhe LS(Bild 2) errechnet sich zu: S D stL Ld h=+ (2) Die Laufzeit tpeines an der Mes