Měření výšky hladiny radarem s frekvencí 80 GHz
Technologie s frekvencí 80 GHz, používaná pro hladinoměry OPTIWAVE, je nejnovější všestrannou radarovou technologií pro měření výšky hladiny kapalin a sypkých látek. Ve srovnání s radary pracujícími na nižší frekvenci vytváří ve stejné vzdálenosti silně soustředěný paprsek s menším průměrem, ideální pro měření médií se špatnou odrazivostí nebo v prašném prostředí. Malá mrtvá vzdálenost a soustředěný paprsek umožňují použití i v malých a vysokých nádržích.
Měření výšky hladiny radarem s frekvencí 80 GHz
Technologie s frekvencí 80 GHz, používaná pro hladinoměry OPTIWAVE, je nejnovější všestrannou radarovou technologií pro měření výšky hladiny kapalin a sypkých látek. Ve srovnání s radary pracujícími na nižší frekvenci vytváří ve stejné vzdálenosti silně soustředěný paprsek s menším průměrem, ideální pro měření médií se špatnou odrazivostí nebo v prašném prostředí. Malá mrtvá vzdálenost a soustředěný paprsek umožňují použití i v malých a vysokých nádržích.
Proč je technologie s frekvencí 80 GHz tak univerzální?
Abychom mohli odpovědět na tuto otázku, musíme nejprve pochopit, že technologie s frekvencí 80 GHz je založena na principu FMCW, což je nyní upřednostňovaná technologie, na kterou významní výrobci průmyslové procesní instrumentace spoléhají. FMCW je zkratka pro frekvenčně modulované spojité vlnění Radar na principu FMCW spojitě vysílá radarové vlnění, jehož frekvence se v rámci šířky pásma moduluje, a přijímá jeho odraz. Pak se měří rozdíl frekvence mezi vysílaným a přijímaným vlněním, který je přímo úměrný vzdálenosti od povrchu média, od kterého se odrazilo.
Měření výšky hladiny radarovým hladinoměrem je tak primárně bezkontaktním měřením vzdálenosti od měřicího přístroje (namontovaného nahoře na nádrži) k povrchu média, které se má měřit. Po zadání geometrických rozměrů nádrže a vlastností média, např. hustoty, pak může přístroj vypočítat výšku hladiny, objem nebo hmotnost. Na rozdíl od ultrazvuku není radarové vlnění závislé na tlaku a teplotě; hustota a viskozita rovněž měření neovlivňují.
Navzdory této odolnosti však existují činitelé, kteří mají na měření na principu FMCW vliv. Technologie s frekvencí 80 GHz je momentálně nejpokročilejší technologií umožňující tyto vlivy překonat.
Dynamika signálu a šířka pásma
Jelikož je každá frekvence odražena a přijata radarem, vzniká tak široké spektrum výsledků. Vlnění se však neodráží jen od měřeného média, ale také od všech ostatních povrchů, které se nacházejí v nádrži, například od vnitřní zástavby. Přesné rozlišení všech odražených signálů , které radar přijal, je možné jen pomocí vysoké dynamiky signálu, které se také říká vysoká citlivost měření: čím více signálů se odrazilo od cíle a bylo přijato přístrojem, tím jasněji nebo výše se tento bod zobrazuje ve spektru nad rušením, a může tedy být identifikován.
Když se šířka pásma radarového signálu rozšiřuje, pak se zvětšuje rozlišení spektra a jednotlivé cíle se zobrazují jako užší a přesnější vrcholky: šířka pásma, ve kterém je frekvence modulována, tedy určuje počet různých signálů odražených od cíle. U radaru s pracovní frekvencí 24 GHz se obvykle provádí modulace mezi 24 a 26 GHz, a tedy s šířkou pásma 2 GHz, zatímco radar s pracovní frekvencí 80 GHz obvykle provádí modulaci v rozmezí od 78 do 82 GHz, a tedy s šířkou pásma 4 GHz. V pásmu 4 GHz je například možno rozlišit cíle, které jsou od sebe vzdáleny jen 10 cm /4". V pásmu 2 GHz není podobné rozlišení za stejných podmínek možné.
Zaostření a velikost antény
Dlouhou dobu byla šířka pásma omezena výkonem mikročipů. V současné době je omezena anténami, které musejí vysílat frekvenční spektrum, a jejich konstrukcí. Radarové vlnění se nešíří zaostřené jako laserový signál, ale spíše ve tvaru svazku nebo kruhově se rozšiřujícího paprsku.
Existují dvě možnosti, jak ovlivnit úhel rozšiřování nebo zaostřování paprsku. První možností je změna frekvence: čím vyšší je frekvence, tím menší je úhel rozšiřování svazku, a to kvůli kratší vlnové délce. Šířka účinného průřez paprsku tvoří při frekvenci 80 GHz a šířce pásma 4 GHz ve vzdálenosti 10 m/ 33 ft jen 30% šířky paprsku při 24 GHz a šířce pásma 2 GHz (0,5 m oproti 1,75 m/ 1,6 oproti 5,7 ft). Druhou možností je průměr antény: čím větší průměr antény, tím více je kruhový paprsek zaostřený.
Ve zpracovatelském průmyslu lze tyto poznatky snadno převést na možné oblasti aplikace: ve vysokých a úzkých silech by neměl radarový signál přijít do styku se stěnou sila nebo vnitřní zástavbou nádrže, protože tyto cíle by se neměly měřit. Proto je zde nutno udržet radarový paprsek maximálně soustředěný a co nejužší, čehož je možno dosáhnout použitím frekvence 80 GHz a velké antény.
Odrazivost a frekvence
Kromě úhlu to jsou to i vlastnosti povrchu měřeného média, které určují, kolik radarových signálů se odrazí a jak budou přijaty: čím vyšší je odrazivost nebo dielektrická konstanta, tím vyšší je amplituda odražených signálů.
Na rozdíl od kapalin, které odrážejí signály dobře, mají volně ložené sypké látky obecně špatnou odrazivost: hodnota Er cca 1,4 se považuje za nejnižší hodnotu, kterou je ještě možno spolehlivě a bezpečně měřit. Zatímco u rovného povrchu kapaliny se součinitel odrazivosti s frekvencí nemění, zpětný rozptyl signálu na jemně zrnitém volně sypaném materiálu jako jsou granule nebo prášek se při vyšších frekvencích výrazně zvyšuje.
Radar s frekvencí 80 GHz je zde tedy nejlepší volbou, protože je díky vysoké dynamice možno jasně zobrazit vrstevnici, a to i ve velmi prašném prostředí (např. i během přidávání produktu do sila nebo na haldu). Šířka pásma 4 GHz s lepším rozlišením také napomáhá odlišit užitečné signály od rušení, i když se nacházejí blízko vedle sebe.
Shrnutí
80 GHz je frekvence s nejlépe soustředěným paprskem, a je proto vhodná pro nádrže všech velikostí, ve kterých je potřeba se vyhnout rušivým odrazům. Krátké vlnové délky se velmi dobře odrážejí, což je obzvláště výhodné pro měření sypkých látek, včetně granulí a prášků s velmi malými částicemi a / nebo ve velmi prašném prostředí. Další výhodou je soustředění paprsku vyplývající přímo z konstrukce, ke kterému není nutno používat ještě velkou anténu: zapuštěná plastová anténa z PEEK ve tvaru čočky používaná pro hladinoměry řady OPTIWAVE je naprosto dostačující a velmi oblíbená pro tyto aplikace. Díky malým rozměrům může být použita spolu se závitovým připojením, montáž pomocí přírub není nutná a snižují se tak i náklady. Frekvence 80 GHz umožňuje velké měřicí rozsahy a malé mrtvé vzdálenosti, nádrž je tedy možno plnit až těsně pod anténu.