تشخیص سطح مخازن به روش راداری با فرکانس 80 گیگاهرتز در مقابل روش اولتراسونیک:

وقتی صحبت از تکنیک های اندازه گیری سطح به روش های غیر تماسی به میان می آید، روش راداری و اولتراسونیک، دو فناوری رایج و کاربردی در این زمینه هستند. 

از هر دو فناوری برای کاربردهای مشابه در صنایع استفاده می شود و هر دو نوع دستگاه از اصول مشابهی برای اندازه گیری سطح استفاده می کنند.

با این حال، هر یک از این فناوری ها در کاربردهای مختلف در جایگاه خود، حائز اهمیت است.

در این بحث سعی کرده ایم سنسورهای راداری 80 گیگاهرتزی را با فرستنده های اولتراسونیک برای اندازه گیری سطح مایعات و جامدات مقایسه کنیم. 

به عنوان فردی که تصمیم داریم از این تکنیک ها استفاده کنید باید هنگام انتخاب یک روش اندازه گیری سطح، متغیرهای زیادی را در نظر بگیرید.

در این مقاله، نحوه عملکرد هر فناوری نسبت به چندین مورد از تکنیک های دیگر مورد بحث قرار خواهد گرفت. با ما همراه باشید.

فن آوری رادار و اولتراسونیک برای اندازه گیری سطح چگونه کار می کنند؟

ابزار رادار و اولتراسونیک، هر به طور مشابه عمل می کنند،به این مفهوم که اصول کارکرد هر یک، مشابه است. 

در هر دو تکنیک، ابزار سنجش سطح، رو به پایین است و سیگنالی را از سطح سیال، منعکس می کند. 

در این روش ها، سنسور الکترونیکی بر اساس زمان پرواز (زمان انتقال سیگنال از سطح سیال به گیرنده ها)، محاسبه ها و اندازه گیری را انجام می دهد.

نوع و شکل سیگنال مورد استفاده در هر یک از این تکنیک ها در موقعیت است که سیگنال ها شروع به واگرایی می کنند. 

انواع رادارها از جمله سنسورهای راداری 80 گیگاهرتزی، امواج زیر موج رادیویی ساطع می کنند، در حالی که فرستنده های اولتراسونیک از امواج صوتی برای انتقال سیگنال ها بهره می گیرند.

1- تکنیک رادار برای روش اندازه گیری سطح

امواج ریز موج رادار، در واقع امواج الکترومغناطیسی هستند؛ به این معنی که انتقال سیگنال ها به محیط فیزیکی نیازی ندارد و می تواند در خلأ حرکت کند.

 به همین دلیل سیگنال های راداری تحت تأثیر شرایط فرآیند مانند دما و فشار قرار نمی گیرند. 

این فناوری، رادار را به یک تکنیک اندازه گیری سطح تبدیل می کند که به صورت گسترده در صنایع و مورد استفاده قرار می گیرد.

سنسورهای رادار با استفاده از فرکانس 80 گیگاهرتز، زاویه پرتویی بسیار باریک دارند؛ چیزی به اندازه 6/3 درجه. 

این اندازه به این معنا است که بیشتر انرژی سیگنال رادار در یک منطقه کوچک متمرکز است و این باعث می شود که رادار مثل یک هوش مصنوعی حرکت های همزن یا میکسر را فیلتر میکند و به خروجی سیگنال بسیار مطلوبی ارسال میکند. تمرکز ویژه پرتوی رادار همچنین هر "نویز" یا بازتاب ناخواسته مزاحم را که به داخل داخل مخزن وارد می شود، به حداقل می رساند.

2- روش اولتراسونیک برای اندازه گیری سطح

امواج  سنسور اولتراسونیک از نوع اموج مکانیکی است، به این معنی که برای عبور و وانتقال، به یک محیط فیزیکی نیاز دارد. 

در اکثر موارد، این محیط فیزیکی همان هوای اطراف یا هوای داخل مخزن است. سرعت سیگنال اولتراسونیک بستگی به محیطی دارد که از آن عبور می کند. 

امواج صوتی بسته به درجه حرارت هوا، فشار، چگالی و ترکیب گاز، با سرعت های مختلف حرکت می کنند. 

اگر هر یک از این خصوصیات در حین فرآیند در حال تغییر باشد، می تواند منجر به خطاهای اندازه گیری گردد. 

به همین دلیل سنسورهای اولتراسونیک برای اندازه گیری سطح با روش ساده تر و در فرایندهایی که تغییرات شرایط، ناچیز می باشد، ایده آل تر هستند.

سیگنال های اولتراسونیک با استفاده از فرکانس های بین 30 کیلو هرتز و 240 کیلو هرتز، عمل می کنند. 

برخلاف روش سنسور رادار، فرکانس اولتراسونیک، بیشتر تابعی از محدوده اندازه گیری است؛ فرکانس های کم برای اندازه گیری مسافت های طولانی تر و فرکانس های بالا برای اندازه گیری فواصل کوتاه تر.

برخی از حسگرهای اولتراسونیک می توانند بیشترین سیگنال های خود را به اندازه زاویه پرتو، 4 یا 5 درجه متمرکز کنند، اما به دلیل شکل امواج صوتی، سنسورهای اولتراسونیک احتمالاً بازتاب های ناخواسته از داخل مخزن را نیز دریافت می کنند. 

این یعنی می تواند روی دقت اندازه گیری های سیگنال های دریافتی، تأثیر گذار باشد.

ارتباط مستقیم اندازه مخزن و نوع مواد داخل آن جهت انتخاب روش اندازه گیری

برای انتخاب بهتر سنسور برای اندازه گیری سطح، باید شکل، اندازه و مواد داخل مخزن را به دقت شناسایی کنید. 

این بررسی ها درک بهتری از سنسور اندازه گیری مورد نیاز فراهم می کند. همچنین با تعیین محل و نحوه نصب سنسور میتوان اندازه‌گیری دقیق و قابل اطمینان‌تری از سطح بدست آورد.

سنسورهای رادار به طور معمول برای اندازه گیری سطح مخازن با ارتفاع بالا تر مورد استفاده قرار می گیرند. در مقابل، سنسورهای اولتراسونیک برای فاصله های کمتر، بهتر عمل می کنند.

با پیشرفت فناوری، این قراردادها کمرنگ تر شدند، سنسورهای اولتراسونیک با اندازه گیری های استثنایی، در مقیاس های کمتر از شش اینچ، هنوز هم دقیق هستند. 

با این حال برای اکثر مخازن کوچک و کم ارتفاع، سنسورهای راداری 80 گیگاهرتزی، عملکردی مشابه عملکرد اولتراسونیک دارند. 

به علاوه، این سنسورهای جدید دارای آنتن های کوچک با اتصالات متناسب هستند. این موضوع آنها را برای این مخازن کوچک مناسب کرده است.

در مخازن ارتفاع متوسط ، هر دو روش راداری و سنسورهای اولتراسونیک عملکرد خوبی دارند، با این حال، هنگام استفاده از سنسورهای فرا صوت(روش اولتراسونیک) باید برای هر گونه نقص یا اختلال آمادگی داشت.

سنسورهای اولتراسونیک با فرکانس پایین که برای دامنه‌های بلندتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، معمولاً به دهانه بزرگتری در بالای مخزن نیاز دارند. 

علاوه بر این، همه سنسورهای اولتراسونیک دارای یک "منطقه نزدیک" یا "پهنای مرده" هستند. این منطقه در واقع یک نقطه کور در نزدیکی سنسور است که سنسور نمی‌تواند آن را اندازه گیری کند. 

"منطقه نزدیک" در سنسورهای اولتراسونیک دوربُرد ممکن است بیش از سه فوت باشند. درمقابل، سنسورهای راداری، افراد را قادر می سازد تا انتهای مخزن را اندازه گیری کنند.

ساخت مخزن همچنین عاملی برای انتخاب فناوری اندازه گیری سطح به روش غیر تماسی است. این امر می تواند در نحوه نصب سنسور تأثیرگذار باشد. 

سیگنال های راداری می توانند به مواد غیر رسانا مانند پلی اتیلن، فایبرگلاس و شیشه نفوذ کنند. این ویژگی اجازه می دهد تا سنسورهای راداری از طریق ظروف پلاستیکی یا از میان شیشه هم اندازه گیری شوند. 

یک سنسور اولتراسونیک به اتصالات جدیدی احتیاج دارد. در حالی که سنسور راداری می تواند به راحتی در بالای شناور نصب شود.

شرایط فرآیندها

هر فرآیند، چالش های خود را برای اندازه گیری دقیق سطح دارد. شرایط ثابت و قابل پیش بینی در فرآیندهای صنعت، یک ویژگی ارزشمند و برجسته به شمار می رود. 

تغییر دما، تشکیل کف، بازتابش از محصول، گرد و غبار، میعان (تراکم)، تجمع و نویز، فقط تعدادی از موانع احتمالی در اندازه گیری دقیق سطح هستند. این وظیفه کاربر است که بتواند بهترین فناوری را برای استفاده از ابزارها انتخاب کند.

1- درجه حرارت (بیشترین تاثیر بر روش اولتراسونیک)

سنسورهای راداری برای سنجش سطح از هرگونه تغییرات دمایی در امان هستند. در مقابل، دقت سنسورهای اولتراسونیک می تواند به شدت متفاوت باشد. برای مقابله با این عامل، مبدل های اولتراسونیک، توانایی اندازه گیری دما را در این تجهیزات دارند. با این حال، اگر دمای مبدل به طور قابل توجهی از دمای محیط نزدیک به سطح سیال متفاوت باشد، اندازه گیری سطح، متوقف خواهد شد.

2- ترکیب گاز (بیشترین تاثیر بر روش اولتراسونیک)

مشابه با تغییرات دما، ترکیب گاز موجود بین سنسور و سطح مایع، بر روی امواج صوتی حسگرهای اولتراسونیک تأثیر دارد. سرعت صدا بسته به نوع گاز متفاوت است و این عامل می تواند منجر به خطاهای اندازه گیری شود. بخارات حاصل از اسیدها و حلال ها به ویژه نمونه هایی از این ترکیبات گازی هستند. این موارد می توانند بر دقت دستگاه های اولتراسونیک تأثیر بسزایی بگذارند.

از طرف دیگر، امواج ریز موج رادار، بدون در نظر گرفتن هوای محیط با همان سرعت حرکت می کند. به همین دلیل، اندازه گیری ثابت خواهد ماند.

3- تشکیل کف (بیشترین تاثیر بر روش اولتراسونیک)

تشکیل کف یا فوم، یک عامل مختل کننده دیگر برای فناوری اندازه گیری سطح به روش غیر تماسی است؛ زیرا فوم، امواج مایکروویو و امواج صوتی را جذب می کند. 

جذب کامل این امواج توسط کف، بسیار نادر است. در موارد شدید، یک "رادار موج هدایت شده" بهترین گزینه برای سنجش سطح است.

در اکثر کاربردهایی که کف سبک معمولاً تولید می شود، یک سنسور رادار 80 گیگاهرتزی می تواند اندازه گیری را از طریق کف موجود هم انجام دهد، گویی که هیچ کف یا فوم در محیط قرار ندارد! بسیاری از تولیدکنندگان سنسورهای اولتراسونیک برای این کاربردها به یک نگهدارنده لوله نیاز دارند تا برای این منظور مناسب باشد!

4- بازتابش یا انعکاس از محصول (سیال)

حساسیت بالای سنسورهای راداری 80 گیگاهرتزی VEGA به آنها این امکان را می دهد که اندازه گیری سطح را حتی برای محصولاتی با بازتابش بالاتر، انجام دهند. 

مایعات و موادی که قبلاً با سنسورهای راداری قدیمی غیرقابل اندازه گیری بودند اکنون می توانند سیگنال قوی تری را برای اندازه گیری دقیق و قابل اعتماد برای سطح، ارائه دهند. برخلاف امواج الکترومغناطیسی راداری، امواج مکانیکی اولتراسونیک، در اکثر سطوح، منعکس می شوند. با این وجود، ویژگی های انعکاس هنوز هم وجود دارد.

5- گرد و غبار، چگالش و تجمع (بیشترین تاثیر بر روش اولتراسونیک)

به ندرت اتفاق می افتد که گرد و غبار، چگالش و تجمع در یک کاربرد مشاهده شود، اما هر سه، اثرات مشابهی بر حسگرهای اولتراسونیک دارند. 

امواج صوتی ساطع شده از حسگرهای فرا صوت، به یک محیط برای انتقال انرژی از یک مکان به مکان دیگر نیاز دارند. گرد و غبار موجود در هوا، مانعی فیزیکی برای انتقال انرژی است که دامنه سیگنال بازگشتی به گیرنده را تضعیف می کند.

با تراکم یا تجمع، دیافراگم مبدل هنگام ارتعاش برای تولید سیگنال به عنوان محیط فیزیکی عمل می کند. در اینجا چگالش یا تجمع، قدرت سیگنال را در مقایسه با مقدار آن در ابتدا، کاهش می دهد. 

با این حال، برخی از سنسورهای اولتراسونیک با فرکانس های پایین تر، برای کنترل این شرایط، بهتر عمل می کنند؛ زیرا یک موج مکانیکی، سنسور را می لرزاند و قطرات آب یا مواد تجمع یافته را از روی آن حذف می کند.

حسگرهای راداری تحت تأثیر گرد و غبار، تراکم و تجمع قرار نمی گیرند. 

نرم افزار پیچیده حساسیت در سنسورهای راداری 80 گیگاهرتزی VEGA هرگونه سیگنال بازگشتی به سنسور را به سرعت، نادیده می‌گیرد. به این ترتیب، احتمال ایجاد سطح کاذب، ناشی از تراکم و تجمع، را از بین می رود.

در مورد گرد و غبار در هوا، اندازه ذرات گرد و غبار 0.5 تا 1.0 میکرومتر است.

 این اندازه ها، برای تأثیر بر مایکروویو راداری با طول موج های 3.5 تا 4 میلی متر، بسیار کوچک هستند. این بدان معناست که سنسور راداری قادر است در حالت هایی که گرد و غبار بسیار زیاد یا بسیار اندک است نیز اندازه گیری را ادامه دهد. این ویژگی به رادار اجازه می دهد تا در موارد مختلف، حتی با حضور گرد و غبار، چگالش یا تجمع، اندازه گیری دقیق را انجام دهد.

6- سیگنال مزاحم یا نویز (بیشترین تاثیر بر روش اولتراسونیک)

نویز بلند به ویژه در سنجش سطح در مواد فله ای جامد و داخل سیلوها معمول است.

 نویز بلند باعث ایجاد امواج صوتی اضافی می شود . 

بسته به فرکانس فرستنده اولتراسونیک، این امر می تواند در امواج صوتی مورد استفاده برای اندازه گیری سطح، تداخل ایجاد کند.

 این حالت می تواند منجر به خطاهای اندازه گیری در هنگام پر کردن مخزن، تخلیه و در فرآیندهای پر سر و صدا شود. 

از آنجا که سنسورهای راداری سنجش سطح از امواج مایکروویو رادیویی استفاده می کنند، نویز، تأثیری در اندازه گیری ندارد.

نتیجه گیری

کار بسیار عاقلانه ای خواهد بود اگر یک سنسور راداری 80 گیگاهرتزی را به جای یک فرستنده اولتراسونیک انتخاب کنید. 

این جمله به معنای منسوخ شدن سنسورهای اولتراسونیک نیست. 

دستگاه های اولتراسونیک، ابزاری برای اندازه گیری سطح هستند که مقرون به صرفه هستند.

سنسورهای التراسونیک اندازه گیری ها را به روش غیر تماسی انجام می دهند.

 اما در محیط های دشوار یا تغییر پذیر چندان قابل اعتماد و دقیق نیستند. 

در اکثر صنایع، یک محیط پایدار با شرایط ثابت و رایج ندارند. به همین دلیل یک سنسور راداری 80 گیگاهرتزی، ابزاری مناسب برای اکثر این کاربردها به شمار می رود.

منبع