ترانسمیتر سطح راداری یا لول ترانسمیتر راداری چیست؟

ترانسمیتر سطح راداری (Radar Level Transmitter) یا لول ترانسمیتر راداری تجهیزی است که فاصله بین ترانسمیتر و سطح سیال فرایند را با ارسال امواج به سمت سیال درون مخزن اندازه‌گیری می‌کند. روش کار ترانسمیتر سطح راداری تقریبا شبیه به ترانسمیتر سطح التراسونیک است که فاصله را از روی زمان رفت و برگشت امواج محاسبه می‌کند. اما تفاوت اساسی بین ترانسمیتر سطح راداری و التراسونیک در امواج مورد استفاده در هر یک از آن‌ها است. در واقع، در لول ترانسمیتر راداری از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس ۵.۸ تا ۲۶ گیگاهرتز به جای امواج صوتی استفاده می‌شود. در این مقاله از وبلاگ پریسماتک قصد داریم به بررسی نحوه کار و انواع ترانسمیتر سطح راداری بپردازیم.

اصول کار ترانسمیتر سطح راداری

برای هر محیط یک ضریب گذردهی یا ثابت دی‌الکتریک ε_r تعریف می‌شود. اساس کار ترانسمیتر سطح راداری بر این اصل استوار است که اگر برای یک محیط  ۱.۸ > ε_r باشد، امواج  الکترومغناطیسی از آن عبور می‌کنند. در غیر این صورت، اگر ۱.۸ < ε_r باشد، امواج از سطح ماده بازتاب می‌شوند. بر همین اساس می‌توان سطح سیال درون یک مخزن را از روی ارسال و دریافت امواج رادیویی، با دقت بالا تا حدود ۲ میلی‌متر نیز اندازه‌گیری کرد. در واقع، امواج در برگشت از سطح سیال دچار تغییر فرکانس می‌شوند که از همین امر برای سنجش سطح استفاده می‌شود. ε_r  برای برخی مواد به صورت زیر است:

 ۱.۹ < ε_r < ۴  :مواد شیمیایی و هیدروکربنی

 ۴ < ε_r < ۱۰  :حلال‌های آلی

 ε_r > ۱۰ :محلول‌های آلی

مزایای ترانسمیتر سطح راداری

همان طور که گفتیم، ترانسمیتر سطح راداری از امواج الکترومغناطیسی مایکروویو برای اندازه‌گیری سطح سیال استفاده می‌کند. این امواج ماهیت الکترومغناطیسی دارند (شامل میدان های الکتریکی و مغناطیسی متناوب) و فرکانس آن‌ها بسیار بالا است. امواج مایکروویو در گستره امواج الکترومغناطیسی بالاتر از امواج رادیویی قرار دارند و فرکانس امواج مایکروویو مورد استفاده در ترانسمیتر سطح راداری از ۵.۸ گیگاهرتز تا ۲۶ گیگاهرتز است. از طرف دیگر، امواج صوتی که در ترانسمیترهای سطح التراسونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، جزو امواج مکانیکی به شمار می‌آیند که درون سیال یا مواد جامد از مولکولی به مولکول دیگر منتقل می‌شوند. این امواج دارای فرکانس پایین‌تری نسبت به امواج مایکروویو، در بازه ۳۰ هرتز تا ۷۰ کیلوهرتز هستند.

امواج الکترومغناطیسی برای انتشار به محیط مادی نیاز ندارند، به دلیل همین خاصیت، ترانسمیتر سطح راداری مزایای بیشتری نسبت به نوع التراسونیک دارد. از جمله این مزایا می‌توان به این مورد اشاره کرد که برخلاف ترانسمیترهای سطح التراسونیک که نباید غبار و بخار در قسمت بالای مخزن وجود داشته باشد، در ترانسمیتر سطح راداری وجود این مواد مشکل‌ساز نمی‌شود. زیرا ضریب گذردهی غبار، بخار و فوم کمتر از ۱.۸ است که امواج مایکروویو از آن عبور می‌کنند و در نتیجه در نتیجه اندازه‌گیری تاثیر نخواهند گذاشت.

مزیت دیگر ترانسمیترهای سطح راداری این است که نتایج به دما و فشار وابسته نیست و تا ارتفاع ۷۰ متر را نیز می‌توان توسط این تجهیزات اندازه‌گیری کرد. همچنین به دلیل این که پرتو یا beam این نوع ترانسمیتر سطح، بسیار کوچک است، کمتر به دیواره مخازن و سایر تجهیزات برخورد می‌کند و خطای کمتری ایجاد می‌شود. از ترانسمیتر سطح راداری می‌توان برای اندازه‌گیری سطح سیالات متلاطم نیز استفاده کرد. نکته‌ای که باید به آن توجه کرد این است که میزان blocking distance باید در این تجهیز رعایت شود. blocking distance عبارت است از حداقل فاصله لازم بین ترانسمیتر و میزان سطح HH که در آن سطح مخزن به  ٪۹۰ می‌رسد.

انواع ترانسمیتر سطح راداری

ترانسمیترهای سطح راداری به دو نوع تماسی (contact) و غیرتماسی (Non-contact) تقسیم‌بندی می‌شوند. در ترانسمیترهای راداری غیرتماسی هیچ تماس مستقیمی بین ترانسمیتر سطح و سیال فرایند وجود ندارد و ترانسمیتر از یک آنتن برای ارسال امواج رادار به درون سیال و دریافت انعکاس آن‌ها از سطح سیال استفاده می‌کند. در ترانسمیتر سطح راداری تماسی، از یک پروب یا سیم استفاده می‌شود که با سیال فرایند درون تانکر یا مخزن در تماس است. در واقع از پروب یا سیم به عنوان هدایت‌کننده امواج به درون سیال و نیز بازگشت یا انعکاس آن‌ها از سطح سیال به ترانسمیتر استفاده می‌شود. در تصویر زیر تفاوت بین ترانسمیتر سطح راداری تماسی و غیرتماسی نشان داده شده است.

در ادامه انواع این دو نوع ترانسمیتر سطح راداری را بیان می‌کنیم.

ترانسمیترهای سطح راداری تماسی

همان طور که گفتیم، در ترانسمیتر سطح راداری تماسی، از یک Rod یا کابل برای انتقال سیگنال به درون مخزن سیال استفاده می‌شود . ترانسمیترهای سطح راداری تماسی خود به دو نوع هدایت‌کننده امواج (Guided Wave Radar) یا GWR و سنسور اختلاف فاز (Phase Difference Sensor) یا PDS تقسیم می‌شوند. ترانسمیتر سطح نوع GWR در صنعت متداول‌ترین و پرکاربردترین ترانسمیتر سطح به شمار می‌آید.

ترانسمیتر سطح راداری تماسی Guided Wave Radar

ترانسمیتر سطح Guided Wave Radar از تکنولوژی بازتاب‌سنجی حوزه زمان (Time Domain Reflectometry) یا TDR برای اندازه‌گیری سطح استفاده می‌کند. ترانسمیتر GWR پالس‌های الکترومغناطیسی با فرکانس بالا و دامنه پایین را از طریق پروب یا سیم به درون مخزن سیال ارسال می‌کند و سپس دامنه امواج منعکس‌شده بازگشتی را بررسی می‌کند. دامنه امواج بازگشتی به ثابت دی‌الکتریک سیال منعکس کننده امواج بستگی دارد. هرچقدر ثابت دی‌الکتریک سیال بزرگ‌تر باشد، دامنه امواج بازتاب شده نیز بزرگ‌تر خواهد بود. در تصویر زیر طرز کار و تفاوت دامنه سیگنال ارسالی و بازتاب‌شده دریافتی یک ترانسمیتر سطح تماسی Guided Wave Radar نشان داده شده است.

در سطح سیال امپدانس waveguide کاهش می‌یابد، در نتیجه دامنه امواج بازتابی افزایش می‌یابد. حال ترانسمیتر سطح راداری امواج بازتابی با دامنه متفاوت را دریافت می‌کند و آن‌ها را به عنوان بازتاب از سطح سیال شناسایی می‌کند و سطح را با استفاده از زمان محاسبه می‌کند. اگر ثابت دی‌الکتریک بخار بالای مایع بالا باشد (مانند بخار اشباع‌شده)، ممکن است در انعکاس پالس تاخیر به وجود آورد و منجر به خطا در اندازه‌گیری سطح شود. در این حالت نیاز است از جبران‌ساز و یا کالیبراسیون مخصوص توسط سازنده استفاده شود. هنگام انتخاب جنس و نوع  waveguide یا پروب باید موارد زیر برا در نظر گرفت:

• ثابت دی‌الکتریک سیال
• دما
• فشار
• خورندگی سیال
• ارتفاع اندازه‌گیری
• وجود موانع درون تانک
• طبقه‌بندی مناطق خطرناک

ترانسمیتر سطح GWR برای اندازه‌گیری سطح واسط (interface) بین چند سیال نیز انتخاب مناسبی به شمار می‌آید. برای اندازه‌گیری دقیق سطح واسط باید اختلاف بین ثابت دی‌الکتریک سیال بالا و پایین بیشتر از ۶ باشد و سیال بالاتر دارای ثابت دی‌الکتریک کمتر از ۱۰ باشد. همچنین مرز دو سیال باید واضح و مشخص و بدون لایه امولسیون باشد.

ترانسمیتر سطح راداری تماسی اختلاف فاز

ترانسمیتر سطح تماسی اختلاف فاز یا PDS از طریق یک پروب امواج فرکانس بالا به درون سیال ارسال می‌کند. زمانی که سیگنال به سطح سیال می‌رسد، فرکانس آن به دلیل تغییر ناگهانی در امپدانس سنسور در سطح سیال، دچار تغییر می‌شود. ترانسمیتر PDS اختلاف فاز بین سیگنال‌های ارسالی و دریافتی را اندازه می‌گیرد و فاصله و نهایتا سطح سیال درون مخزن را از روی آن محاسبه می‌کند. در تصویر زیر نمایی از طرز کار یک ترانسمیتر سطح تماسی اختلاف فاز نشان داده شده است.

ترانسمیترهای سطح راداری غیرتماسی

همان طور که گفتیم، در ترانسمیترهای راداری غیرتماسی بین ترانسمیتر سطح و سیال فرایند هیچ تماس مستقیمی وجود ندارد و از یک آنتن برای ارسال امواج رادار به درون سیال و دریافت انعکاس آن‌ها از سطح سیال استفاده می‌شود. ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی نیز خود بر اساس اصول عملکرد به دو نوع FMCW و پالسی تقسیم می‌شود. در ترانسمیترهای راداری غیرتماسی امواج مایکروویو با استفاده از یک آنتن به سمت سیال درون مخزن ارسال می‌شود.

هر دو نوع ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی FMCW و پالسی از تکنولوژی زمان پرواز (Time of flight) برای تشخیص سطح و اندازه‌گیری آن استفاده می‌کنند. آنتن این ترانسمیترها امواج مایکروویو را به سمت سطح سیال گسیل می‌کند و تاخیر زمانی امواج بازتابی را محاسبه می‌کند تا در تعیین سطح مورد استفاده قرار گیرد. روش‌های غیرتماسی بر خلاف روش‌های تماسی قادر به تشخیص interface بین سیالات نیست.

ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی FMCW

ترانسمیتر FMCW یا موج حامل فرکانس مدوله‌شده (Frequency Modulated Carrier Wave) نوعی از ترانسمیترهای غیرتماسی به شمار می‌آید. در این نوع ترانسمیتر سطح، یک سیگنال swept فرکانسی که در آن فرکانس به صورت پیوسته از کم به زیاد و بلعکس تغییر می‌کند، ارسال می‌شود و سیگنال بازتاب‌شده با فرکانس متفاوت دریافت می‌شود. فاصله بین ترانسمیتر و سطح سیال و ارتفاع سیال در مخزن را می‌توان از روی این اختلاف فرکانسی با استفاده از تبدیل فوریه سریع یا FFT به دست آورد. اگر فاصله تا سطح سیال را d، سرعت نور را c، زمان جاروب را t₀ و فرکانس جاروب را f₀ بنامیم، آنگاه رابطه بین اختلاف فرکانس به وجود آمده Δf و فاصله d به صورت زیر محاسبه می‌شود:

Δf = 2 f₀ d/ (c t₀)

مصرف توان ترانسمیتر FMCW به دلیل الگوریتم مفسر آن بالاتر است. در گذشته ترانسمیتر FMCW فقط با تغذیه خارجی موجود بود، اما امروزه با تغذیه loop powered نیز با دقت اندازه‌گیری بالا وجود دارد. این ترانسمیتر سطح دارای دقت بالا تا ۲ میلی‌متر است و تا ارتفاع ۷۰ متر را نیز اندازه‌گیری می‌کند.

ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی پالسی

ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی پالسی یک قطار پالس امواج مایکروویو به سمت سیال گسیل می‌کند که در آن بازه‌های ارسال موج ۱ نانو ثانیه و سپس استراحت ۵۰۰ نانو ثانیه است. حال مانند روش‌های قبل، می‌توان بر اساس زمان دریافت پالس، مسافت بین ترانسمیتر و سطح سیال و درنتیجه ارتفاع سیال در مخزن را محاسبه کرد. در این روش اندازه‌گیری، سیالات با کنداکتیویتی بالا، سیگنال‌های قوی‌تری را منعکس می‌کنند و سیالات با کنداکتیویتی پایین، انرژی امواج را جذب کرده و یک سیگنال‌ ضعیف را منعکس می‌کنند. برا سیالات با هدایت الکتریکی پایین، ترانسمیترهای سطح راداری FMCW در مقایسه با نوع پالسی اندازه‌گیری سطح دقیق‌تری را ارائه می‌دهند. رابطه بین زمان دریافت سیگنال و فاصله ترانسیمتر تا سطح به صورت زیر است:

Δt = 2d√ε_r / c

فرکانس‌های ترانسمیترهای سطح راداری

همان طور که قبلا نیز اشاره کردیم، فرکانس امواج مایکروویو مورد استفاده در ترانسمیترهای سطح راداری در بازه ۵.۸ تا ۲۶ گیگا هرتز است. استفاده از امواج با این فرکانس در اتمسفر به دلیل رگولاتوری فرکانس و لایسنس‌های مورد نیاز ممنوع است. مخازن فلزی مانند یک قفس فاراده عمل می‌کنند و امواج الکترومغناطیسی را بلوکه می‌کنند. بنابراین استفاده از ترانسمیتر سطح راداری غیرتماسی برای این مخازن نیاز به مجوز ندارد. اما اگر مخزن فلزی نباشد، می‌توان از ترانسمیترهای با فرکانس ۲.۴ و ۵.۸ گیگاهرتز استفاده کرد که برای وای‌فای و سایر اهداف بدون نیاز به مجوز مورد استفاده قرار می‌گیرند. متداول‌ترین فرکانس‌های مورد استفاده برای ترانسمیترهای سطح راداری در مخازن فلزی، ۶، ۱۰ و ۲۶ گیگا هرتز هستند.

انواع آنتن

در ترانسمیترهای سطح راداری از آنتن برای ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. سایز آنتن با فرکانس سیگنال متناسب است. بهره آنتن (antenna gain) با افزایش سایز آنتن و یا استفاده از فرکانس‌های بالاتر، افزایش می‌یابد. در واقع بهره آنتن متناسب است با حاصل ضرب توان دوم قطر و فرکانس امواج.

antenna gain ∝ (diameter) ² * (frequency) ²

زاویه پرتو برای فرکانس‌های بالاتر، کوچک‌تر است، در نتیجه برای نازل‌های کوچک می‌توان از ترانسمیترهای رادار فرکانس بالا استفاده کرد. به عنوان مثال، نازل مربوط به ترانسمیتر با فرکانس ۵.۸ گیگا هرتز، نباید کمتر از ۶ اینچ باشد. بهره آنتن همچنین به بازده روزنه (aperture efficiency) نیز وابسته است که بر طول و شکل آنتن تاثیر می‌گذارد.

در حالت کلی چهار نوع آنتن برای ترانسمیترهای سطح راداری وجود دارند: Rod ،Horn ،Parabolic و Planner. سه آنتن اول را single feeder و نوع آخر را multi feeder می‌گویند. single feeder به این معنی است که ارسال و دریافت سیگنال فقط از یک نقطه پیاده‌سازی می‌شود. اما در آنتن‌های multi feeder چندین روزنه وجود دارد که هر کدام جداگانه امواج را ارسال و دریافت می‌کنند. در نهایت از تمام مقادیر میانگین گرفته می‌شود. به همین دلیل این نوع آنتن برای سیالات متلاطم مناسب‌تر است. در تصویر زیر انواع آنتن را می‌توان مشاهده کرد.

مقایسه انواع آنتن‌ها

آنتن نوع Rod از نوع تماسی است که با سیال فرایند در تماس خواهد بود و می‌تواند سطوح interface سیالات را نیز اندازه بگیرد. اما سه نوع دیگر غیرتماسی هستند. آنتن‌های horn قابلیت شکل‌دهی به سیگنال را دارند، اما آنتن‌های planner فاقد قسمت مکانیکی برای شکل‌دهی امواج هستند. آنتن‌های horn برای نفت و مشتقات نفتی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما برای سیالات های ویسکور کاربرد ندارد. آنتن‌های parabolic دارای این مزیت هستند که امواج را به شدت متمرکز می‌کنند و به همین دلیل برای سیالات های ویسکوز و سیلوهای جامدات مانند گندم و سیمان که امواج را تضعیف می‌کنند نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بالاترین بهره مربوط به آنتن‌های parabolic است، در حالی که آنتن‌های rod کمترین حساسیت را دارند. آنتن horn را می‌توان متداول‌ترین نوع آنتن دانست. آنتن‌های parabolic دارای محدودیت فشار هستند، اما می‌توانند در مقابل آلودگی روی سطح مقاوم باشند. این نوع آنتن معمولا در انبارگاه‌های مخازن (tank farms) مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنتن‌های rod برای فرکانس‌های پایین و نازل‌های کوچک مناسب هستند. وجود آلودگی می‌تواند بر راندمان این آنتن تاثیر منفی بگذارد، بنابراین نباید در کاربردهای غوطه‌ور کردن مورد استفاده قرار گیرند. آنتن horn پرکاربردترین آنتن است که اگر طول نازل بلند باشد، می‌تواند گسترش یابد.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

سوئیچ سطح یا لول سوئیچ و انواع آن

لول گیج یا گیج سطح چیست و چه انواعی دارد؟

ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی یا لول ترانسمیتر D/P type 

ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر ــ اصول کاری و انواع

ترموکوپل چیست؟

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی و کوریولیس

انواع کنداکتیویتی مترها