سطح سنج راداری | ترانسمیتر رادار | دلایل نصب

ترانسمیتر راداری یا همان سطح سنج راداری عمدتا برای تشخیص مقدار موجودی سطح مخازن بکار برده می‌شود بعبارتی هرجا لازم باشد تا اندازه‌گیری بصورت پیوسته انجام شود از ترانسمیتر راداری استفاده می‌شود.

فناوری رادار با استفاده از امواج الکترومغناطیسی EM کار می‌کند از این رو، آنها را می توان به عنوان دستگاه های اندازه گیری سطح مایکروویو نیز نام برد.

اجزای سطح سنج راداری:

• فرستنده با نوسان ساز حالت جامد Transmitter With an Inbuilt Solid State Oscillator
• آنتن رادار Radar Antenna
• گیرنده و پردازنده سیگنال Receiver along with a signal processor and an Operator Interface

نحوه کار سطح سنج راداری بدین صورت است که فرستنده، امواج الکترومغناطیسی را به سطح مواد داخل مخزن ارسال میکند، امواج پس از برخورد با سطح مواد به سمت سنسور باز می‌گردد و پردازنده داخل سطح سنج با توجه به زمان ارسال و دریافت امواج (که به آن زمان پرواز TOF می‌گویند) ارتفاع سطح مواد را دقیقا محاسبه می‌کند.

فناوری اندازه گیری سطح رادار در درجه اول به دو سیستم طبقه بندی می‌شود:

• سطح سنج های راداری غیر تماسی Noninvasive or Non-contact Systems
• سطح سنج های راداری موج هدایت شوند یا تماسی Invasive or Contact Systems

انواع سطح سنج های راداری غیر تماسی

1. فناوری موج پیوسته یا مدولاسیون فرکانس FMCW systems
2. فناوری رادار پالسی Pulsed radar systems

سیستم های رادار مبتنی بر مدولاسیون فرکانس FMCW systems

در این روش با استفاده از یک ماژول الکترونیکی که در بالای مخزن نصب می‌شود(ماژول دارای یک نوسان ساز بوده) که امواج را با فرکانس معین خطی در جهت پایین ارسال می‌کند امواج منعکس شده از سطح مواد به طرف سنسور برگشت داده می‌شود. مدت زمان برگشت این امواج دقیقا متناسب با فاصله سنسور تا سطح مواد هست و نکته قابل توجه اینست که فرکانس امواج ارسالی و دریافتی نیز متفاوت است و اختلاف فرکانسی این دو موج متناسب است با فاصله بین سنسور و سطح مواد که داخل مخزن وجود دارد از این فرکانس جدید می‌توان برای تعیین دقیق سطح مواد استفاده کرد.

مزیت عمده استفاده از سیستم مدولاسیون فرکانسیFMCW که از برترین تکنیک های اندازه گیری سطح در مخازن می‌باشد این است که تداخل و نویزهای داخل مخزن تاثیری بروی امواج راداری منتقل شده ندارند.

سیستم هایFMCW دارای دقت بسیار بالای اندازه گیری است.

سیستم های راداری پالسی

نام دیگر سیستم راداری پالسی به سیستم های زمان پرواز پالس می‌باشد. اصول کار آنها بسیار شبیه به فرستنده های سطح اولتراسونیک است.

سیستم های موج پالس امواج مایکروویو را به سمت مواد داخل مخزن ارسال می کنند. این امواج توسط سطح مواد منعکس می‌شود و توسط همان سنسوری که امواج را ارسال کرده بود، اکنون به عنوان گیرنده عمل می کند، دریافت می شود. تشخیص سطح از زمان پرواز امواج مایکروویو شروع می شود.

می‌توان گفت محدوده توان سیستم های راداری پالسی در مقایسه با سیستم های FMCW بسیار کمتر است. بنابراین، عملکرد آنها تا حد زیادی تحت تأثیر موانع مخزن و مواد داخل مخزن(که دارای دی الکتریک ثابت) می باشد.

در سیستم های راداری پالسی عمل ارسال و دریافت امواج تنها با یک تجهیز انجام می‌گیرد که به آن سطح سنج راداری یا ترانسمیتر راداری گفته میشود

انواع طراحی های آنتن سطح سنج راداری Antenna Designs

آنتن های رادار مورد استفاده برای سیستم های اندازه گیری غیر تماسی در سه طرح اصلی ساخته می‌شوند:

1. آنتن بشقابی سهمی Parabolic dish antenna

2. آنتن مخروطی Cone antenna

3. آنتن کپسولی یا موج باریک Encapsulated antenna

بسته به نیاز و با توجه به عوامل مختلف مانند سازه مخزن، وجود بخار یا کف، تلاطم سطحی و سایر خواص فیزیکی مواد در حال اندازه گیری، می توان از بین این سه طرح آنتن مناسب را انتخاب کرد شایان ذکر است برای مخازن با اندازه قطر کم و یا دارای موانع داخلی متعدد مثل اتصلات آهنی مناسبترین انتخاب آنتن کپسولی است.

در شکل زیر یک آنتن مخروطی را نشان می دهد که تمایل به انتقال سیگنال ها در یک منطقه بزرگتر دارد و در طرف دیگر آنتن بشقابی که معمولاً سیگنال ها را در یک منطقه محدود ارسال و دریافت می کند.

اندازه قطرآنتن رادار نیز در تصمیم گیری اولیه برای مخازن خاص پر اهمیت می‌باشد.

اگر قطر دهانه آنتن بزرگ باشد ، واگرایی امواج بیشتر می‌شود و همچنین خطر انعکاس امواج نامطلوب ناشی از برخورد با دیواره مخزن بیشتر می شود. با این حال، احتمال برگشت موج هدایت شده به سنسور در مورد آنتن های با قطر بزرگ بیشتر است.

از طرف دیگر ، آنتن هایی با قطر آنتن کوچک، سیگنال متمرکز و قوی تری تولید می کنند. بعلاوه، آنها در از بین بردن اختلالات نویز ناشی از سطوح فلزی مسطح و افقی مفید هستند. همچنین زاویه نصب سنسور در آنتن های کوچک اهمیت بالایی ندارد.

سیستم های راداری غیر تماسی با میله باریک:

سیستم های اندازه گیری غیر تماسی اساساً به عنوان سیستم های راداری هوایی شناخته می شوند به آنها معمولاً از یک آنتن شاخ یا یک آنتن میله ای برای ارسال پرتوهای مایکروویو به سطح سیال مورد اندازه گیری استفاده می کنند. سپس این آنتن که در بالای مخزن نصب می‌شود، سیگنال منعکس شده مایکروویو را از سطح سیال دریافت می کنند. یک مدار زمان بندی در سیستم ها گنجانده شده است که زمان پرواز را اندازه گیری می کند، بنابراین فاصله بین آنتن و سطح سیال محاسبه و تعیین می‌شود.

آنتن میله ای باریک امکان نصب در دهانه های ظروف کوچک را فراهم می کند. ثابت دی الکتریک مواد مورد اندازه گیری بسیار مهم است، اگر ثابت دی الکتریک خیلی پایین باشد، می‌تواند به دقت اندازه‌گیری رادار مشکلاتی ایجاد کنند

دلیل این امر این است که میزان انرژی امواج منعکس شده رادار با ثابت دی الکتریک مواد(r) رابطه مستقیمی دارد، امواج راداری در مواجهه با مواد دارای ثابت پایین دی الکتریک بیشتر انرژی امواج رادارها از آن عبور می کند مثلا ثابت دی الکتریک آب برابر است با آب r = 80 که دارای بازتاب بسیار عالی امواج راداری هست.

علاوه بر این، مسائلی مانند نوع سازه های داخل مخزن، رسوبات آنتن و بازتاب موج چندگانه از روکش ها و موانع ممکن است به نتایج نادرستی منجر شود برای از بین بردن این خطاها ، الگوریتم های پیشرفته ای که از منطق فازی استفاده می کنند باید با این فرستنده های راداری ادغام شوند. با این حال ، این الگوریتم ها، تنظیم فرستنده را بسیار پیچیده می کند.

سیستم های راداری تماسی یا موج هدایت شونده Guided-wave radar

برای اندازه گیری سطح مایعات از روش راداری تماسی استفاده می‌شود که به روش GWR معروف است.

در این روش، از کابل(سیم بکسل) یا لوله‌ی نازک استفاده می شود که به عنوان راهنمای موج (موجبر) عمل می کند.

بطوریکه امواج مایکروویو را از قسمت کلگی (سنسور) به لوله نازک یا کابل ارسال کرده و در نهایت از طریق همان لوله یا کابل به سطح مایعات داخل مخزن هدایت می کند.

اساس سیستم تماسی یا موج هدایت شونده برمبنای بازتاب سنجی حوزه زمانی (TDR) است که سالهاست برای سنجش سطح مایعات درچاهها و لوله های جدا کننده نفت خام از آب نمک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یک اسیلاتور TDR بیش از 200.000 پالس انرژی الکترومغناطیسی ایجاد می کند که به سمت موج بر حرکت کرده و به عقب برمی گردد.

ثابت دی الکتریک مواد داخل مخزن (فرآیند) باعث تغییر در امپدانس می شود و موج را به رادار باز می گرداند

از مدت زمان ارسال و دریافت پالس ها برای اندازه گیری سطح مایع استفاده می‌شود. در این روش، نویز پذیری و تخریب سیگنال ارسالی بسیار کمتر است زیرا موجبر بستر بسیار امن و موثری را برای انتقال سیگنال ارائه می دهد.

بنابراین ، اندازه گیری سطح در سیالی که دارای ثابت دی الکتریک بسیار پایینی هستند می تواند به طرز خوبی انجام شود

مزایای اندازه‌گیری بروش موج هدایت شونده:

در این روش اندازه گیری پالس ها از طریق یک راهنما(لوله فلزی نازک – سیم بکسل یا کابل) هدایت می شوند بنابراین عواملی مانند تلاطم سطحی ، کف ، بخار یا ساختار مخزن بر اندازه گیری تأثیر نمی گذارد.

معایب استفاده از رادار موج هدایت شونده:

همیشه این خطر وجود دارد که کاوشگر یا میله ای که به عنوان راهنمای موج استفاده می شود در تماس با مایعات خورنده از بین رفته و اندازه گیری را دچار اختلال کند.

برای رفع این مشکل کاوشگر هایی با جنس فلزات مختلف ساخته شده‌اند مثلا کاوشگر های با جنس هستلوی که دارای مقاومت بیشتری در برخورد با مواد خورنده هستند.

نکات مهمی که در انتخاب رادارهای موج هدایت شونده حتما باید به آنها توجه کرد:

• جنس کاوشگر که بر مبنای خورندگی مایعات داخل مخزن انتخاب می‌شود
• طول میله یا کابل کاوشگر
• محدوده دما و فشار مخزن که تاثیر بسزایی در انتخاب سطح سنج راداری دارد

مزایای سیستم راداری موج هدایت شونده GWR:

• کارایی سیستم موج هدایت شونده 20 درصد بهتر از سیستم راداری غیر تماسی است
• در روش GWR ، امکان تشخیص سطح سیالات دارای ثابت دی الکتریک کمتر از 1.4 را ممکن می سازد.
• همچنین ، این سیستم ها بسته به کاربرد می توانند در دو حالت عمودی و افقی نصب شوند.

• بدلیل استفاده از موجبر (لوله هدایت امواج) مسیر مشخصی برای انتقال امواج راداری دارند
• کارایی سیستم GWR در محیط های دارای بخار، فوم، درجه حرارت بالا و فشار بالا مختل نمی‌شود.
• این سیستم ها می‌توانند در خلاء نیز بدون نیاز به کالیبراسیون مجدد عمل کنند.
• مسائل واگرایی پژواک های کاذب ناشی از برخورد امواج رادار به دیواره های مخازن و موانع در این سیستم وجود ندارد.

جمع بندی:

مزایای کلی استفاده از سطح سنج های راداری بشرح زیر است:

تکنیک اندازه گیری سطح بروش راداری تشخیص بسیار دقیق و قابل اطمینانی از سطح مخازن ذخیره سازی و سیلوها ارائه می‌دهد.

عملکرد فرستنده‌های سطح بروش راداری تحت تأثیر بخارات سنگین و عمدتاً سایر خواص فیزیکی سیال تحت اندازه گیری مواد قرار نمی‌گیرد البته به جز خاصیت ثابت دی الکتریک.

اندازه گیری سطح بروش راداری دارای معایب زیر است:

سنسور راداری از قطعات دارای فناوریهای پیچیده و بروز استفاده شده است و طبیعتا این نوع فناوری‌ها گران قیمت هستند

اگر سطح مواد اندازه‌گیری شده بسیار نزدیک به آنتن رادار باشد، معمولاً در دریافت نتایج دقیق اندازه‌گیری با مشکل مواجه می شود. علت این مشکل مدت زمان حرکت امواج راداری و سپس برخورد با سطح مواد و نتیجتا برگشت امواج راداری به سنسور بسیار بسیار سریع است.

ترانسمیتر راداری سطح = سطح سنج راداری = لول ترانسمیتر راداری = لول سنج راداری = ترانسمیتر سطح رادار