نحوه عملکرد اندازه گیری سطح به روش رادار

امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور 2.9979 × 8^10 متر بر ثانیه در خلاء کامل حرکت می‌کنند. سرعت موج الکترومغناطیسی در فضا به گذردهی دی الکتریک (که “epsilon” با حرف یونانی ، ε نمایش داده می‌شود) آن فضا بستگی دارد.

فرمولی که سرعت موج (v) را به گذردهی نسبی (نسبت گذردهی یک ماده به خلاء کامل که نماد آن ǫr است و گاهی ثابت دی الکتریک ماده نامیده می‌شود) و سرعت نور در خلاء کامل (c) مرتبط می‌کند. در فرمول زیر نشان داده شده است:

همانطور که قبلا ذکر شد، کالیبراسیون هر ترانسمیتر سطح مبتنی بر اکو، به دانستن سرعت انتشار موج از طریق رسانه جداکننده دستگاه از رابط سیال فرآیند بستگی دارد. برای ترانسمیترهای راداری که یک مایع را در زیر گاز یا بخار حس می‌کنند، این سرعت، سرعت نور از طریق فضای گاز یا بخار است که می‌دانیم تابعی از گذردهی الکتریکی است.

برای تجهیزات سطح راداری که در محیط‌های گازی کار می‌کنند که دارای تغییرات فشار و دما (یعنی چگالی) قابل توجهی هستند، تغییرات متعاقب آن در سرعت نور از طریق آن گاز، دقت دستگاه را به خطر می‌اندازد. در ابزارهای سطح التراسونیک، شرط لازم برای وقوع انعکاس صدا این است که موج صوتی با تغییر ناگهانی در چگالی مواد، مواجه شود.

در تجهیزات سطح رادار، شرط لازم برای انعکاس موج، تغییر ناگهانی در گذردهی دی الکتریک است. هنگامی که یک موج الکترومغناطیسی با یک تغییر ناگهانی در گذردهی دی الکتریک مواجه می‌شود، مقداری از انرژی آن موج به شکل موج دیگری که در جهت مخالف حرکت می‌کند، منعکس می‌شود. در حالی که تعادل انرژی موج به سمت جلو ادامه می‌یابد تا در ماده جدید منتشر شود.

جزئیات اندازه گیری سطح به روش رادار

در یک سیستم اندازه‌گیری سطح راداری، هر تغییر ناگهانی در گذردهی الکتریکی، یک ناپیوستگی است که بخشی از انرژی موج فرودی را به منبع بازتاب می‌دهد. بنابراین، ابزارهای سطح رادار زمانی بهترین عملکرد را دارند که تفاوت زیادی در گذردهی بین دو ماده در سطح مشترک وجود داشته باشد. هوا و آب با داشتن نسبت گذردهی 80:1 با این معیار مطابقت دارند.

برای موقعیت‌هایی که دو رسانه هوا و آب باشند، شرایطی تقریبا ایده آل برای انعکاس سیگنال قوی است. با توجه به مقادیر گذردهی نسبی، ضریب انعکاس توان دارای مقدار 0.638 (63.8٪) است. این بدان معناست که بیش از نیمی از توان فرودی از رابط هوا / آب منعکس می‌شود تا یک سیگنال اکوی قوی ایجاد کند. با 0.362 (36.2٪) باقی‌مانده از توان موج از طریق رابط هوا و آب عبور می‌کند و در آب منتشر می‌شود.

اگر مایع مورد نظر به جای آب، بنزین باشد (دارای مقدار گذر نسبی نسبتاً پایین تقریباً 2)، نسبت انعکاس توان 0.0294 (2.94٪) خواهد بود، با اکثریت قریب به اتفاق، توان موج به سطح هوا و بنزین با موفقیت نفوذ می‌کند. نسخه طولانی‌تر فرمول ضریب انعکاس توان نشان می‌دهد که رابط‌های مایع – مایع باید با استفاده از رادار قابل تشخیص باشند و در واقع اینطور هستند.

تنها چیزی که مورد نیاز است، تفاوت به اندازه کافی بزرگ در گذردهی بین دو مایع است تا اکوی به اندازه کافی قوی برای تشخیص قابل اعتماد ایجاد شود. اندازه‌گیری سطح رابط مایع – مایع با رادار، زمانی به بهترین شکل کار می‌کند که مایع بالایی دارای مقدار گذردهی کمتر قابل ملاحظه‌ای نسبت به مایع پایینی داشته باشد.

لایه‌ای از روغن هیدروکربنی روی آب (یا هر محلول آبی مانند اسید یا ماده سوزاننده) گزینه مناسبی برای اندازه‌گیری سطح رادار موج هدایت شونده است. نمونه ای از رابط مایع – مایع که تشخیص آن برای ابزار رادار بسیار دشوار است، آب، بالای گلیسیرین است.

ملاحظات اندازه گیری سطح به روش رادار

اگر ابزار رادار از یک پروتکل شبکه دیجیتال برای برقراری ارتباط با سیستم میزبان استفاده کند (مانند HART یا هر کدام از استانداردهای “فیلدباس”)، ممکن است به عنوان یک ترانسمیتر چند متغیره عمل کند و هم اندازه‌گیری سطح رابط و هم اندازه‌گیری سطح کل مایع را به طور همزمان ارسال کند. این قابلیت برای ترانسمیترهای رادار موج هدایت‌شونده منحصربه‌فرد است و در برخی فرآیندها بسیار مفید است زیرا نیاز به ابزارهای متعدد برای اندازه‌گیری سطوح مختلف را از بین می‌برد.

با گازها و بخارهایی که مقادیر ǫ کوچکی دارند، سیگنال باید ابتدا از رابط گاز – مایع عبور کند تا به رابط مایع و مایع برسد. این رابط گاز – مایع، با داشتن بیشترین تفاوت در مقادیر ǫ از هر رابط در مخزن، بیشترین بازتاب را به انرژی الکترومغناطیسی در هر دو جهت خواهد داشت.

بنابراین، تنها بخش کوچکی از موج فرودی به سطح مشترک مایع – مایع می‌رسد. به همین ترتیب بخش کوچکی از موج منعکس شده از سطح مایع – مایع (که خود کسری از توان موج رو به جلو است که آن را از طریق رابط گاز-مایع در مسیر پایین می‌گذراند) در مسیر بازگشت به دستگاه از طریق رابط گاز – مایع عبور می‌کند.

البته، در محیط واقعی، شما این امتیاز را ندارید که انتخاب کنید کدام مایع بالای مایع دیگر، قرار گیرد (این امر با چگالی سیال مشخص می‌شود). اما این امتیاز را دارید که فناوری اندازه گیری سطح رابط مایع – مایع مناسب را انتخاب کنید.

انواع ابزار سطح سنج رادار

دو نوع اصلی ابزار رادار سطح وجود دارد: رادار موج هدایت شونده و رادار موج غیر تماسی. ابزارهای رادار موج هدایت شونده از “ردیاب” یا پروب موج‌بر (ابزاری که انتشار امواج را در مسیری از پیش تعیین‌شده هدایت می‌‏کند) برای هدایت امواج رادیویی به داخل مایع فرآیند استفاده می‌کنند در حالی که ابزارهای راداری غیر تماسی امواج رادیویی را از فضای باز به بیرون می‌فرستند تا مواد فرآیند را منعکس کنند. توجه داشته باشید که ابزارهای رادار موج هدایت شونده در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آن دی الکتریک مایع فرآیند، بسیار کم است.

همه ابزارهای سطح رادار از یک آنتن برای پخش یا ارسال سیگنال‌های رادیویی به مایع فرآیندی که سطح آن باید تعیین شود، استفاده می‌کنند. ابزارهایی که از موج‌برها استفاده می‌کنند، رادار موج-هدایت شونده (guided-wave radar) نامیده می‌شوند، در حالی که ابزار راداری که برای انتشار سیگنال به فضای باز متکی هستند، رادار غیر تماسی (non-contact radar) می‌گویند.

تفاوت بین این دو نوع ابزار راداری در تصویر زیر نشان داده شده است. عکس‌های ترانسمیتر سطح رادار غیر تماسی (چپ) و موج هدایت شونده (راست) در زیر نشان داده شده است.

عملکرد سنسورهای سطح رادار غیر تماسی

برای اندازه‌گیری سطح مایع یا جامد در این نوع ابزار راداری، سیگنال‌های راداری از آنتن یک ابزار راداری که در بالای مخزن قرار دارد، ارسال می‌شوند. اندازه‌گیری سطح بدون تماس با استفاده از رادار، دارای دو تکنیک مدولاسیون اصلی است: رادار پالس و تکنیک‌های رادار FMCW (موج مدوله‌شده با فرکانس). در تکنیک رادار پالس، رادار، سیگنال مایکروویو را ارسال می‌کند که از سطح محصول پریده و به گیج باز می‌گردد. ترانسمیتر، تاخیر زمانی بین سیگنال اکو ارسال شده و دریافتی را اندازه‌گیری می‌کند. سپس ریزپردازنده روی برد، فاصله تا سطح مایع را با استفاده از فرمول محاسبه می‌کند:

2/[سرعت نور * تاخیر زمانی ]=فاصله

برای محاسبه سطح مایع، فرستنده با ارتفاع سنج مرجع، برنامه‌ریزی می‌شود – معمولاً پایین مخزن یا محفظه. سپس سطح مایع توسط ریزپردازنده در ترانسمیتر محاسبه می‌شود.

در تکنیک رادار FMCW، امواج مایکروویو به سمت سطح محصول منتقل می‌شوند، 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 با فاصله تا مایع با دقت بالا متناسب است.

فرکانس سنسورهای رادار غیر تماسی می‌تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد. فرکانس کمتر حساسیت به بخار، کف و آلودگی آنتن را کاهش می‌دهد، در حالی که 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. سنسورهای رادار غیر تماسی را می‌توان در کاربردهایی از 3 فوت تا 131 فوت (1 تا 40 متر) استفاده کرد.

سطح دقت ابزارهای رادار

دقت قابل دستیابی هر سیستم اندازه گیری سطح رادار به شدت به نوع کاربرد، طراحی آنتن، نصب مکانیکی، وضعیت و کیفیت نرم افزارهای الکترونیکی و پردازش اکوی به کار گرفته شده، بستگی دارد. اگرچه اثرات تغییرات دما و فشار بسیار اندک است، روش‌های جبرانی برای این پارامترها استفاده می‌شود. سایر تأثیرات روی دقت ابزار سطح رادار، شامل نسبت سیگنال به نویز و تداخل است.

کاربردها

ابزارهای سطح رادار به طور گسترده‌ای برای اندازه گیری سطح مایعات، دوغاب‌ها و همچنین بسیاری از مواد جامد در مخازن ذخیره سازی در پالایشگاه‌ها و پایانه‌های مخازن استفاده می‌شوند. این ابزارها در طیف وسیعی از دما، فشار، مخلوط گازهای بخار و شرایط مختلف فرآیند کار می‌کنند.

محدودیت‌ها

مواد جامد

ابزارهای رادار از نظر کاربرد کاملاً خاص هستند. به دلیل انعکاس سیگنال ضعیفی که رخ می‌دهد، باید تا حد امکان از اندازه گیری سطح رادار روی جامدات اجتناب شود.

سیالات فرآیند دی الکتریک کم

سنسورهای رادار غیر تماسی با سیالات فرآیند دی الکتریک کم، عملکرد ضعیفی دارند. با سیالات فرآیند دی الکتریک کم، مقدار زیادی از انرژی تابیده‌ شده‌ به سیال از دست می‌رود و انرژی بسیار کمی برای بازتاب مجدد به گیج باقی می‌ماند. آب و بیشتر محلول‌های شیمیایی، ثابت دی الکتریک بالایی دارند. نفت کوره، روغن روان کننده و برخی مواد جامد مانند آهک، ثابت دی الکتریک پایینی دارند. کاربرد آنها برای این نوع سیالات دی الکتریک کم مناسب نیست.

تلاطم سطح

اگر سطح متلاطم باشد، چه در اثر هم زدن، اختلاط محصول یا پاشیدن، سیگنال بیشتری از بین می‌رود. ترکیبی از سیال دی الکتریک کم و تلاطم، می‌تواند سیگنال بازگشت را به یک سنسور رادار غیر تماسی، محدود کند. برای حل مشکل تلاطم می‌توان از لوله‌های کنارگذر یا چاه‌های ساکن برای جداسازی سطح از تلاطم استفاده کرد.

مزایا

• دقت بالا
• بدون تماس
• شناسایی موانع در لوله‌ها یا دستگاه فشار
• در کاربردهای سخت و دشوار استفاده می‌شود.
• می‌تواند سطح را از طریق مخازن پلاستیکی اندازه گیری کند.
• برای نظارت بر محتویات مخازن یا سایر مواد چند رسانه‌ای استفاده می‌شود.

معایب

• بسیار حساس به تجمع بر روی سطح سنسور
• بسیار گران. قیمت با افزایش دقت افزایش می‌یابد.

ملاحظات اندازه گیری سطح به روش رادار غیر تماسی

ابزارهای رادار غیر تماسی برای هدایت انرژی مایکروویو به داخل مخزن و دریافت انرژی اکو (بازگشت) به آنتن‌ها متکی هستند. این آنتن‌ها باید تمیز و خشک نگه داشته شوند. اگر مایع اندازه‌گیری شده، بخارات متراکم ساطع کند، ممکن است مشکل ساز شود. به همین دلیل، ابزارهای رادار غیر تماسی اغلب با استفاده از یک دریچه دی الکتریک (ساخته شده از موادی مانند پلاستیک که نسبت به امواج الکترومغناطیسی نسبتاً “شفاف” است و در عین حال به عنوان یک مانع بخار موثر عمل می‌کند)، از داخل مخزن جدا می‌شوند.

ابزارهای رادار غیر تماسی به دلیل تمایل طبیعی پرتوهای الکترومغناطیسی به پراکندگی در فضا، نسبت به دستگاه‌های رادار موج هدایت شونده، سیگنال بسیار بیشتری از دست می‌دهند. موج‌برها با هدایت انرژی رادیویی در امتداد یک مسیر مستقیم با این از دست دادن سیگنال، مقابله می‌کنند.

عملکرد سنسورهای سطح رادار موج هدایت شونده

رادار موج هدایت شونده (GWR)، بازتاب دامنه زمانی (TDR) یا رادار میکرو – تکانه (MIR)‌ نامیده‌ می‌شود. در تاسیسات رادار موج هدایت شونده، حسگر رادار موج هدایت شونده / گیچ در بالای یک مخزن یا محفظه نصب می‌شود و ردیاب معمولاً تا عمق کامل مخزن که در آن اندازه گیری سطح مورد نیاز است، گسترش می‌یابد.

پالس‌های کم انرژی امواج مایکروویو که با سرعت نور حرکت می‌کنند، به پایین ردیاب‌ فرستاده‌ می‌شوند. در نقطه سطح مایع (سطح هوا / مایع) روی ردیاب، بخش قابل توجهی از انرژی مایکروویو از ردیاب به فرستنده منعکس می‌شود (نصب GWR همیشه حسگر و ترانسمیتر را به عنوان یک واحد ترکیبی در نظر می‌گیرد).

ترانسمیتر تاخیر زمانی بین سیگنال اکو ارسال‌ شده‌ و دریافتی را اندازه می‌گیرد و ریزپردازنده موجود در ترانسمیتر، فاصله تا سطح مایع را با استفاده از فرمول زیر محاسبه می کند:

2/[سرعت نور * تاخیر زمانی ]=فاصله

هنگامی که ترانسمیتر با ارتفاع گیج مرجع – معمولاً پایین مخزن یا محفظه – برنامه ریزی شود، سطح مایع توسط ریزپردازنده محاسبه می‌شود. در سطح مشترک هوا و مایع درون مخزن، نسبتی از پالس‌ها از طریق سیالات دی الکتریک کم به سمت پایین ردیاب ادامه می‌یابند و اکو دوم را می‌توان از رابط بین دو مایع در نقطه‌ای زیر سطح مایع اولیه تشخیص داد. این ویژگی باعث می‌شود رادار موج هدایت شونده یک تکنیک خوب برای اندازه‌گیری رابط‌های مایع – مایع مانند روغن و آب و اندازه‌گیری از طریق برخی از انواع فوم‌ها باشد. رادار موج هدایت شونده را می‌توان در شناورهایی با مختصاتی محکم، در محفظه‌ها و در مخازن با هر اندازه استفاده کرد.

مزایا

• از این روش می‌توان در سیالات فرآیند دی الکتریک کم استفاده کرد.
• از این روش می‌توان برای مایعات در کاربردهای پرتلاطم استفاده کرد.
• از آنجایی که انعکاس امواج‌ وابسته‌ به یک سطح صاف است، می‌توان آنها را با بسیاری از پودرها و دانه‌ها و همچنین مایعات با سطوح متمایل ناشی از گرداب استفاده کرد.
• اندازه‌گیری دقیق و قابل اعتمادی را برای برنامه‌های کاربردی سطح و رابط ارائه می‌دهند.
• با مایعات، لجن، دوغاب و برخی مواد جامد استفاده می‌شوند.
• برای تغییرات در چگالی، دی الکتریک یا رسانایی سیالات تحت اندازه گیری، هیچ جبرانی لازم نیست.
• تغییرات فشار، دما و شرایط فضای بخار هیچ تاثیری بر دقت اندازه گیری سطح رادار ندارد.
• تعمیر و نگهداری از ردیاب‌ها/حسگرهای رادار موج هدایت شونده بسیار کم است زیرا هیچ قسمت متحرکی وجود ندارد.
• ردیاب‌/حسگرهای رادار موج هدایت شونده به راحتی نصب می‌شوند و می‌توانند به جای سایر فناوری‌های اندازه‌گیری سطح مانند جابجایی و ظرفیت استفاده شوند.

محدودیت‌ها

• ردیاب‌های رادار موج هدایت شونده نباید در تماس مستقیم با جسم فلزی (دیواره مخزن) باشند زیرا این امر بر سیگنال تأثیر می‌گذارد. یک استثناء استفاده از ردیاب هم محور است.
• تجمع مواد روی ردیاب بر دقت اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد. با خرید ردیاب‌هایی با قابلیت‌های تشخیصی پیشرفته می‌توان این مشکل را برطرف کرد.
• استفاده از ردیاب رادار موج هدایت شونده در محفظه‌های کمتر از 3 اینچ مشکلات زیادی ایجاد می‌کند. تمایل به تجمع مواد وجود دارد و تماس فلزی بین کاوشگر و دیواره مخزن در اکثر مواقع تضمین نمی‌شود.

اندازه گیری سطح رادار موج هدایت شونده

مطابق تصویر، یک پالس انرژی رادیویی به سمت پایین و سپس به سمت راهنمای موج یک ابزار سطح راداری با موج هدایت شونده حرکت می‌کند. همچنین بالاترین حد را در منحنی اکو به رابط‌های دنیای واقعی در داخل مخزن فرآیند مرتبط می‌کند.

ردیاب مورد استفاده در تجهیزات رادار موج هدایت شونده ممکن است میله‌های تک فلزی، میله‌های فلزی موازی جفت یا ساختار میله و لوله فلزی هم محور باشند. ردیاب‌های تک میله‌ای بیشترین تلفات انرژی را متحمل می‌شوند، در حالی که ردیاب‌های هم محور، در هدایت انرژی مایکروویو به سطح مایع و برگشت آن، عالی عمل می‌کنند.

با این حال، ردیاب‌های تک میله‌ای نسبت به ردیاب‌های دو میله‌ای یا (مخصوصاً) هم محور که در آن توده‌های چسبناک مایع چسبنده و / یا ماده جامد به ردیاب می‌چسبند، در برابر رسوب فرآیند، بسیار تحمل می‌کنند. چنین رسوبات‌ آلوده‌، اگر به اندازه کافی شدید باشند، باعث انعکاس امواج الکترومغناطیسی می‌شوند که برای ترانسمیتر شبیه انعکاس از سطح مایع یا رابط واقعی به نظر می‌رسند.

ملاحظات اندازه گیری سطح به روش رادار

برای یک سیستم اندازه‌گیری سطح مبتنی بر رادار متشکل از گاز/ بخار روی آب بر روی مایع (سنگین‌تر) دیگر، سیگنال اکو بسیار ضعیف خواهد بود. زیرا سیگنال باید دو بار از لایه آب «پر اتلاف» عبور کند، قبل از اینکه به دستگاه رادار بازگردد. تلفات انرژی الکترومغناطیسی در ابزار دقیق سطح رادار مهم است، حتی زمانی که رابط شناسایی‌ شده‌ به سادگی گاز (یا بخار) روی مایع باشد.

هر گونه اتلاف بین فرستنده گیرنده و رابط (های) دارای اهمیت، سیگنال را ضعیف می‌کند، تا جایی که ممکن است تشخیص آن از نویز دشوار شود. ابزارهای رادار موج هدایت‌شونده درصد بسیار بیشتری از توان ارسالی خود را نسبت به ابزارهای رادار غیر تماسی دریافت می‌کنند، زیرا ردیاب فلزی مورد استفاده برای هدایت پالس‌های سیگنال مایکروویو به جلوگیری از انتشار (و در نتیجه ضعیف شدن) امواج در سراسر مایعات در حین انتشار کمک می‌کند.

به عبارت دیگر، ردیاب به عنوان یک خط انتقال برای هدایت و متمرکز کردن انرژی مایکروویو عمل می‌کند و یک مسیر مستقیم از دستگاه به مایع و یک مسیر برگشت اکو مستقیم از مایع به دستگاه را تضمین می‌کند. به همین دلیل است که رادار موج هدایت‌شونده تنها فناوری راداری عملی برای اندازه‌گیری رابط‌های مایع – مایع است. یک عامل بسیار مهم در اندازه‌گیری دقیق سطح با استفاده از ابزارهای راداری این است که گذردهی دی الکتریک هر ماده که بین ابزار رادار و رابط مورد نظر قرار دارد، به طور دقیق شناخته شود. دلیل این امر ریشه در وابستگی سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی به گذردهی نسبی دارد.

سطح سنج راداری کجا کاربرد دارد؟

استفاده از امواج رادار برای اندازه گیری سطح مواد درون مخازن یکی از جدیدترین تکنیک‌های اندازه‌گیری می‌باشد. از آنجا که تمام اندازه‌گیری‌های رادار بر اساس زمان پرواز از طریق رسانه‌ای است که فرستنده رادار را از رابط اکو جدا می‌کند، تغییرات در سرعت موج از طریق این رسانه بر میزان زمان لازم برای حرکت موج از گیرنده به رابط اکو تأثیر می‌گذارد و به فرستنده و گیرنده بازخورد می‌دهد. بنابراین، تغییرات در ثابت دی الکتریک به دقت اندازه‌گیری سطح راداری مرتبط می‌شود. همانند ابزارهای سطح التراسونیک، ابزارهای سطح رادار می‌توانند سطح مواد جامد در مخازن (مانند پودرها و ریز دانه‌ها) و نه فقط مایعات را حس کنند.

اگر علاقه‌مند به دانستن بیشتر درمورد اندازه گیری سطح به روش رادار می‌باشید، پیشنهاد می‌کنیم که حتما مقاله جامع را در این خصوص مطالعه نمایید.  اگر به مطالعه بیشتر در زمینه اندازه گیری سطح به روش رادار علاقه دارید، به لینک‌های زیر مراجعه کنید.

https://www.instrumentationtoolbox.com/2014/08/operating-principle-of-guided-wave.html

https://www.instrumentationtoolbox.com/2013/04/operating-principle-of-radar-level.html