سطح سنج راداری

سطح‌سنج راداری چیست؟

سطح‌سنج راداری، ابزاری برای اندازه‌گیری ارتفاع سیالات در مخازن هستند. این تجهیز فاصله بین ترانسمیتر (واقع در نقطه‌ای بلند) را تا سطح یک ماده فرایندی که در پایین‌تر قرار دارد، به روشی مشابه ترانسمیترهای سطح اولتراسونیک با اندازه‌گیری زمان پرواز یک موج در حال حرکت اندازه‌گیری می‌کند.

تفاوت اساسی بین لول سنج راداری و اولتراسونیک در نوع موج مورداستفاده است: امواج رادیویی به‌جای امواج صوتی.

امواج رادیویی ماهیت الکترومغناطیسی دارند (شامل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متناوب) و فرکانس بسیار بالا (در محدوده فرکانس مایکروویو – گیگاهرتز).

امواج صوتی ارتعاشات مکانیکی (انتقال از مولکول به مولکول در یک ماده مایع یا جامد) و فرکانس بسیار پایین‌تر (ده‌ها یا صدها کیلوهرتز) نسبت به امواج رادیویی هستند.

برخی از تجهیزات سطح‌سنجی راداری “پراب” هدایت موج برای هدایت امواج الکترومغناطیسی به مایع فرایند بکار میبرند که از امواج برگشتی از سطح استفاده می‌کنند، درحالی‌که برخی دیگر امواج الکترومغناطیسی را از فضای باز به بیرون ارسال می‌کنند تا مواد فرایند را منعکس کنند.

ابزارهایی که از موجبرها استفاده می‌کنند رادار موج هدایت‌شونده guided-wave radar) یا سطح‌سنج راداری گایددار  نامیده می‌شوند، درحالی‌که ابزارهای راداری که برای انتشار سیگنال به فضای باز متکی هستند، سطح‌سنج راداری غیرتماسی (non-contact radar) می‌گویند.

سطح‌سنج سطح راداری غیرتماسی2
سطح‌سنج سطح راداری غیرتماسی2
انواع آنتن ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی
انواع آنتن ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی

اساس کار سطح‌سنج سطح راداری غیرتماسی

برای اندازه‌گیری سطح رادار غیرتماسی دو تکنیک مدولاسیون اصلی وجود دارد:

  1. تکنیک رادار پالس
  2. تکنیک رادار FMCW (فرکانس مدوله شده موج پیوسته).

اصل کارکرد

رادار پالس غیرتماسی، یک سیگنال مایکروویو را ارسال می‌کند که از سطح محصول پریده و به سنسور باز می‌گردد. ترانسمیتر تأخیر زمانی بین سیگنال اکو ارسال شده و دریافتی را اندازه‌گیری می‌کند و ریزپردازنده روی برد فاصله تا سطح مایع را با استفاده از فرمول محاسبه می‌کند:

2/ (تأخیر زمانی x سرعت نور) = فاصله

هنگامی که ترانسمیتر با ارتفاع مرجع مخزن – معمولاً پایین مخزن یا محفظه – برنامه‌ریزی می‌شود، سطح مایع توسط ریزپردازنده محاسبه می‌شود.

سطح = ارتفاع مخزن فاصله –

ترانسمیتر سطح رادار نوع پروب دار
ترانسمیتر سطح رادار نوع پروب دار

رادار FMCW همچنین امواج مایکروویو را به سطح محصول ارسال می‌کند، اما سیگنال ارسالی دارای فرکانس متغیر است. هنگامی که سیگنال به سطح مایع رفت و به آنتن برگشت، با سیگنالی که در آن زمان در حال ارسال است مخلوط می‌شود. تفاوت فرکانس بین سیگنال دریافتی و ارسالی به طور مستقیم بافاصله تا مایع بادقت بالا متناسب است.ازآنجایی‌که سنسور غیرتماسی است، حساسیت سنسور به خوردگی محدود است و برای سیالات چسبناک، چسبنده و ساینده انتخاب ایده‌آلی است.فرکانس رادار غیرتماسی می‌تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد. فرکانس کمتر حساسیت به بخار، کف و آلودگی آنتن را کاهش می‌دهد، درحالی‌که فرکانس بالاتر، پرتو رادار را باریک نگه می‌دارد تا تأثیر نازل‌ها، دیوارها و اجسام مزاحم را به حداقل برساند. عرض پرتو با اندازه آنتن نسبت معکوس دارد. عرض پرتو یک فرکانس معین با افزایش اندازه آنتن کاهش می‌یابد.

رنج اندازه‌گیری FMR51 -3

اساس کار سطح‌سنج سطح راداری تماسی (موج هدایت‌شونده)

رادار موج هدایت‌شونده (GWR)اغلب بازتاب سنجی دامنه زمانی (TDR) یا رادار میکرو پالسی (MIR) نامیده می‌شود.

اصل کارکرد

در نصب رادار موج هدایت‌شونده، GWR در بالای مخزن یا محفظه نصب می‌شود و پراب معمولاً تا عمق کامل مخزن امتداد می‌یابد. یک پالس کم‌انرژی از امواج مایکروویو که با سرعت نور حرکت می‌کند، به پایین پراب فرستاده می‌شود. در نقطه سطح مایع (واسط هوا / آب) روی پروب، بخش قابل‌توجهی از انرژی مایکروویو به سمت ترانسمیتر بازتاب می‌شود.

نصب سطح‌سنج راداری
نصب سطح‌سنج راداری

محاسبه فاصله و سطح دقیقاً همانند مدل غیرتماسی است و از همان فرمول پیروی می‌کند.

ازآنجایی‌که بخشی از پالس از طریق سیالات با دی‌الکتریک کم در پراب ادامه می‌یابد، یک اکو دوم را می‌توان از رابط بین دو مایع در نقطه‌ای زیر سطح مایع اولیه تشخیص داد.این ویژگی باعث می‌شود رادار موج هدایت‌شونده یک تکنیک خوب برای اندازه‌گیری رابط‌های مایع/مایع مانند روغن و آب و اندازه‌گیری از طریق برخی فوم‌ها باشد.رادار موج هدایت‌شونده را می‌توان در مخازنی با هندسه باریک، در محفظه‌ها و در مخازن با هر اندازه استفاده کرد. GWR پیشرفته همچنین در کاربردهای دی‌الکتریک کم و آشفته به‌خوبی کار می‌کند. ازآنجایی‌که وابسته به انعکاس از سطح “مسطح” نیست، با بسیاری از پودرها و دانه‌ها و همچنین مایعات با سطوح مایل ناشی از گرداب‌ها به‌خوبی کار می‌کند.

انیمیشن زیر نشان می‌دهد که چگونه یک پالس انرژی رادیویی به سمت پایین و سپس به سمت راهنمای موج یک سطح راداری با موج هدایت شده حرکت می‌کند و پیک‌ها را در منحنی اکو به رابط‌های دنیای واقعی در داخل مخزن فرایند مرتبط می‌کند.

Guided-wave-radar-level-measurement-Animation
Guided-wave-radar-level-measurement-Animation

مزایا سطح‌سنج‌های راداری (تماسی و غیرتماسی)

1. رادار بدون تماس با اندازه‌گیری فاصله از سطح، اندازه‌گیری مستقیم از بالابه‌پایین را فراهم می‌کند.

2. می‌توان آن را برای مایعات، لجن، دوغاب و برخی مواد جامد استفاده کرد.

3. یک مزیت کلیدی رادار این است که برای تغییرات در چگالی، دی‌الکتریک یا هدایت سیال هیچ جبران‌کننده‌ای لازم نیست.

4. تغییرات فشار، دما و بیشتر شرایط فضای بخار هیچ تأثیری بر دقت اندازه‌گیری‌های رادار ندارد.

5. به‌علاوه دستگاه‌های رادار فاقد قطعات متحرک هستند

6. بنابراین تعمیر و نگهداری حداقل است.

7. ازآنجایی‌که با محیط اندازه‌گیری شده در تماس نیست، برای کاربردهای خورنده و کثیف نیز مناسب است.

8. مدل رادار تماسی مناسب برای مخازن کوچک، هندسه مخزن دشوار، و موانع مزاحم است

9. نصب مدل تماسی آسان است و به‌راحتی می‌تواند جایگزین سایر فناوری‌ها مانند جابه‌جایی و ظرفیت خازنی شود، حتی درحالی‌که مایع در مخزن وجود دارد.

محدودیت‌های سطح‌سنج‌های راداری (تماسی و غیرتماسی)

1. برای رادار غیرتماسی، نصب خوب کلید موفقیت است. سنسور نیاز به دید واضحی از سطح با یک نازل نصب صاف، بدون مانع و بدون محدودیت دارد.

2. موانع موجود در مخزن، مانند لوله‌ها، میله‌های تقویت‌کننده و همزن‌ها می‌توانند باعث پژواک‌های کاذب شوند، اما اکثر ترانسمیترها دارای الگوریتم‌های نرم‌افزاری پیچیده‌ای هستند که امکان پوشاندن یا نادیده‌گرفتن این اکوها را فراهم می‌کنند.

3. با سیالات فرایند دی‌الکتریک کم، بیشتر انرژی تابیده شده به سیال از دست می‌رود و انرژی بسیار کمی باقی می‌ماند تا به حسگر بازتاب شود. آب و اکثر محلول‌های شیمیایی دارای DK بالا هستند. روغن کوره، روغن روان‌کننده و برخی مواد جامد مانند آهک دارای DK پایینی هستند.

4. اگر سطح متلاطم باشد، چه در اثر هم زدن ترکیب محصول یا پاشیدن، سیگنال بیشتری از بین می‌رود؛ بنابراین ترکیبی از سیال دی‌الکتریک کم و تلاطم می‌تواند سیگنال بازگشت را به یک رادار غیرتماسی محدود کند. برای دورزدن این موضوع، می‌توان از لوله‌های بای‌پس یا چاه‌های ساکن برای جداسازی سطح از تلاطم استفاده کرد.

5. درحالی‌که مدل سطح راداری پراب دار در بسیاری از شرایط کار می‌کند، برخی از اقدامات احتیاطی باتوجه‌به انتخاب پراب باید انجام شود. چندین نوع پروب در دسترس است و عواملی همچون محدودیت‌های کاربرد، طول و نصب بر انتخاب آنها تأثیر می‌گذارد. پراب‌ها نباید مستقیماً با یک جسم فلزی در تماس باشند، مگر اینکه از پروب کواکسی استفاده شود، زیرا بر سیگنال تأثیر می‌گذارد. اگر کاربرد تمایل به چسبندگی یا پوشش دارد، باید از پروب‌های single lead استفاده شود.

انواع آنتن ترانسمیتر سطح راداری

 کالیبراسیون و پیکربندی لول سنج‌های راداری غیرتماسی

در ابتدا در کارخانه با مقدار دی الکتریک اولیه کالیبره می‌شوند (به‌عنوان‌مثال 1.6).

  • کالیبراسیون خشک: مقادیر صفر و مقیاس کامل به‌صورت دستی تنظیم می‌شوند. این مقادیر، مقیاس حداقل و حداکثر سطح قابل‌اندازه‌گیری را نشان می‌دهد. این تنظیمات را می‌توان در محل انجام داد یا در جای دیگر.
  • کالیبراسیون مرطوب: کالیبراسیون مرطوب برای درنظرگرفتن تمام پژواک‌های کاذب به دلیل شکل داخلی مخزن ضروری است. در ثبت الکترونیکی این پژواک‌های نادرست، این پژواک‌های کاذب فیلتر می‌شوند و ÷ گیری سطح موردتوجه قرار نمی‌گیرند. این کالیبراسیون مرطوب باید با سطح پایین واقعی انجام شود تا تمام بازتاب‌های تداخلی بالقوه شناسایی شوند.

نکاتی مهم برای انتخاب یک سطح‌سنج راداری مناسب

تلاطم‌های بسیار قوی روی سطوح محصول قادر است امواج مایکروویو را در جهات مختلف منعکس کند که این امر باعث کاهش دامنه اکو نیز می‌شود. در تلاطم‌های بسیار قوی، مانند یک مخزن با یک همزن قوی، این موضوع باید برای موقعیت نصب رادار در نظر گرفته شود.

سنسور راداری باید پشت یک بافل قرار گیرد. این کار، امکان اندازه‌گیری بسیار آسان و قابل‌تکرار را فراهم می‌کند.

اگر لول سنج راداری برای سنجش روی سطح آشفته استفاده شود، باید چاه ساکن (stilling wel) یا قفس حسگر را در نظر گرفت. قفس سنسور یا چاه ساکن باید حداقل قطر مشابه قطر بوق رادار داشته باشد.

تراکم بخار و رسوبات می‌تواند بر عملکرد اندازه‌گیری رادار تأثیر بگذارد. در این حالت ممکن است ردیابی حرارتی و یک قطعه گرد PTFE در فلنج نصب شود تا از تجمع روی مخروط رادار جلوگیری شود. در برخی از مدل‌ها از تجهیزی به‌عنوان پاک‌کننده مدام سطح رادار نیز استفاده می‌شود.

استفاده از محافظ PTFE روی مخروط رادار از خوردگی جلوگیری می‌کند.

راداری که مستقیماً روی مخزن نصب شده است که نمی‌توان آن را خاموش کرد، باید دارای شیرهای ایزوله باشد.

ترانسمیترهای رادار با طیف گسترده‌ای از طرح‌ها و اندازه‌های آنتن برای کاربردهای مختلف در دسترس هستند. ترنسمیترهای سطح رادار با مواد، سیل‌ها و محفظه‌های مختلف برای استفاده متناسب با شرایط فرایند و محیط موجود هستند.

استفاده از سنسور سطحی با فرکانس پایین (4 تا 10 گیگاهرتز) هنگام اندازه‌گیری در بخار و فوم اولویت دارد. فرکانس بالا (بالاتر از 25 گیگاهرتز) در اکثر کاربردهای دیگر به دلیل انعطاف‌پذیری بیشتر در نصب ترجیح داده می‌شود. (نصب زاویه پرتو کوچک آسان‌تر است.)

مایکروویوهای فرکانس بالا برای اکثر کاربردها مناسب هستند، ملاحظات نصب کمتری دارند، زاویه پرتو باریکی دارند که راحت‌تر از اختلال جلوگیری می‌کند و به دلیل تمرکز انرژی بیشتر، محدوده اندازه‌گیری طولانی‌تری را ارائه می‌دهد.

مایکروویوهای فرکانس پایین طول‌موج طولانی‌تری را ارائه می‌دهند که به‌راحتی به فوم، بخار سنگین و میعان نفوذ می‌کند. زاویه باز پرتو در برخی موارد می‌تواند اختلالات را به‌راحتی عبور دهد (زمانی که پژواک مزاحم مستقیماً زیر رادار قرار دارد).

برای خرید سطح‌سنج راداری با کنترل با ما تماس بگیرید.