در زمینه اندازهگیری سطح اتوماسیون صنعتی، فرستندههای سطح راداری به لطف مزایای غیر تماسی، دقت بالا و سازگاری قوی، به تجهیزات اصلی در صنایعی مانند پتروشیمی، تصفیه آب، مواد غذایی و دارویی تبدیل شدهاند. اصل کار آنها (اصل کار فرستنده سطح راداری) کلید دستیابی به اندازهگیری دقیق است.
فرستنده سطح راداری یک دستگاه اندازهگیری سطح است که بر اساس فناوری رادار (امواج الکترومغناطیسی) عمل میکند. این دستگاه با ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیسی، موقعیت سطح مایع را محاسبه میکند، سیگنال ارتفاع سطح مایع را به سیگنالهای الکتریکی استاندارد صنعتی (مانند سیگنالهای جریان 4-20 میلیآمپر، سیگنالهای دیجیتال RS485) تبدیل میکند و انتقال از راه دور، نظارت در زمان واقعی و کنترل خودکار دادههای سطح مایع را محقق میکند.
در مقایسه با تجهیزات اندازهگیری سطح سنتی (مانند شناور، اولتراسونیک)، مزایای اصلی آن در این است که تحت تأثیر عوامل محیطی مانند چگالی، ویسکوزیته، گرد و غبار و بخار قرار نمیگیرد. این دستگاه میتواند با شرایط کاری صنعتی سخت مانند دمای بالا، فشار بالا و خوردگی شدید سازگار شود و دقت اندازهگیری آن برای مدت طولانی ثابت میماند.
منطق کار یک فرستنده سطح راداری حول محور «ارسال امواج الکترومغناطیسی - بازتاب - دریافت - محاسبه سیگنال» میچرخد. این دستگاه ارتفاع سطح مایع را از طریق تعامل بین امواج الکترومغناطیسی و سطح مایع استنباط میکند. فرآیند خاص به شرح زیر است:
نوسانگر با فرکانس بالا در داخل دستگاه، امواج الکترومغناطیسی با فرکانس خاص (معمولاً 6 گیگاهرتز، 26 گیگاهرتز) را تولید میکند. این امواج الکترومغناطیسی از طریق یک آنتن راداری اختصاصی (مانند آنتن شیپوری، آنتن میلهای) به صورت جهتدار به سطح مایع داخل ظرف منتقل میشوند.
- نکته کلیدی فنی: فرکانس امواج الکترومغناطیسی مستقیماً بر عملکرد اندازهگیری تأثیر میگذارد. هرچه فرکانس بالاتر باشد، زاویه پرتو باریکتر میشود (زاویه پرتو 26 گیگاهرتز معمولاً ≤3 درجه است) و تمرکز سیگنال قویتر میشود که برای ظروف با کالیبر کوچک یا شرایط کاری پیچیده مناسب است. فرکانسهای پایینتر (مانند 6 گیگاهرتز) منجر به زاویه پرتو گستردهتر (حدود 15 درجه) میشوند که برای اندازهگیری در محدوده وسیع مخازن ذخیرهسازی با کالیبر بزرگ مناسب است و توانایی بیشتری برای نفوذ به گرد و غبار و بخار دارد.
هنگامی که پرتو امواج الکترومغناطیسی با سطح مایع برخورد میکند، به دلیل تفاوت قابل توجه در ثابت دیالکتریک بین مایع و هوا (ثابت دیالکتریک مایع عموماً ≥1.8 است که بسیار بیشتر از هوا است)، بیشتر امواج الکترومغناطیسی توسط سطح مایع بازتاب میشوند تا یک «سیگنال اکوی مؤثر» را تشکیل دهند. مقدار کمی از امواج الکترومغناطیسی به سطح مایع نفوذ میکنند یا توسط محیط جذب میشوند که تأثیر ناچیزی بر نتیجه اندازهگیری دارد.
- پیشفرض سازگاری: تا زمانی که ثابت دیالکتریک مایع ≥1.8 باشد، یک اکوی پایدار میتواند تشکیل شود. اگر ثابت دیالکتریک محیط بسیار کم باشد (مانند برخی از روغنهای سبک، گاز طبیعی مایع)، میتوان از یک موجبر برای افزایش اثر بازتاب و اطمینان از قدرت سیگنال اکو استفاده کرد.
سیگنال اکوی بازتابشده در امتداد مسیر اصلی بازمیگردد و توسط آنتن رادار دریافت میشود. ماژول پردازش سیگنال (مجهز به تراشههای MCU و DSP) در داخل دستگاه، فیلتر کردن، تقویت و پردازش کاهش نویز را بر روی سیگنال اکو انجام میدهد، سیگنالهای تداخلی مانند بازتاب دیواره ظرف، گرد و غبار محیطی و لرزش تجهیزات را حذف میکند و فقط اکوی مؤثر مربوط به سطح مایع را حفظ میکند و یک مبنای داده دقیق برای محاسبات بعدی ارائه میدهد.
با محاسبه «تفاوت زمانی (Δt) بین زمان ارسال امواج الکترومغناطیسی و زمان دریافت اکو» و ترکیب با سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در هوا (حدود 3 × 10^8 متر بر ثانیه در شرایط استاندارد، که میتواند در زمان واقعی با توجه به دمای محیط و فشار کالیبره شود)، ماژول پردازش سیگنال ارتفاع سطح مایع را از طریق یک فرمول استنباط میکند:
ارتفاع سطح مایع (H) = ارتفاع کل ظرف (H_total) - فاصله از آنتن رادار تا سطح مایع (d)
در میان آنها،d = (سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی × Δt) / 2 (تقسیم بر 2 زیرا امواج الکترومغناطیسی باید بین آنتن و سطح مایع رفت و برگشت کنند).
- فناوری ویژه: برخی از دستگاههای پیشرفته از فناوری موج پیوسته مدولهشده با فرکانس (FMCW) استفاده میکنند. با ارسال امواج الکترومغناطیسی با فرکانسهای متغیر خطی، آنها تفاوت فرکانس بین موج ارسالی و اکو را محاسبه میکنند و به طور غیرمستقیم فاصله را استنباط میکنند. این برای سناریوهای اندازهگیری سطح مایع با دقت بالا (خطا ≤ ±0.05٪) و از راه دور (محدوده اندازهگیری تا 70 متر) مناسب است.
پس از اتمام محاسبه، دستگاه سیگنال ارتفاع سطح مایع را به سیگنالهای استاندارد صنعتی مانند 4-20 میلیآمپر، RS485 یا پروتکل HART تبدیل میکند و آن را به سیستمهای کنترل PLC، DCS یا ابزارهای نمایشگر منتقل میکند تا نظارت بر سطح مایع در زمان واقعی، هشدار بیش از حد یا کنترل خودکار تخلیه مایع/تأمین آب محقق شود.
بر اساس اصل کار فوق، فرستنده سطح راداری دارای سه مزیت فنی اصلی است که میتواند به طور دقیق نیازهای سناریوهای صنعتی را برآورده کند:
از آنجایی که امواج الکترومغناطیسی نیازی به تماس مستقیم با مایع ندارند، هیچ اصطکاک فیزیکی بین دستگاه و محیط وجود ندارد. آنتن از مواد ضد خوردگی (مانند Hastelloy، پوشش PTFE) ساخته شده است و مجهز به طراحی آببندی سطح IP67/IP68 است. این دستگاه میتواند حداکثر فشار 60 مگاپاسکال و محدوده دمایی -60 درجه سانتیگراد تا 400 درجه سانتیگراد را تحمل کند و برای شرایط کاری خوردگی شدید، دمای بالا و فشار بالا مناسب است. عمر مفید دستگاه به 5-8 سال افزایش مییابد (عمر مفید دستگاههای تماسی سنتی معمولاً کمتر از 3 سال است).
انتشار امواج الکترومغناطیسی تحت تأثیر چگالی، ویسکوزیته یا رنگ محیط قرار نمیگیرد و میتواند به گرد و غبار، بخار و مه نفوذ کند. حتی در ظروف پیچیده با همزن و بافل، از طریق طراحی پرتو باریک یا الگوریتمهای ردیابی اکو، اکوی سطح مایع همچنان میتواند به طور دقیق شناسایی شود و پایداری اندازهگیری تحت تأثیر تغییرات محیطی قرار نمیگیرد.
از طریق بهینهسازیهایی مانند طراحی سیگنال با فرکانس بالا، ماژولهای جبران دما و فشار و فناوری FMCW، خطای اندازهگیری دستگاه را میتوان در ±0.1٪ کنترل کرد و محدوده اندازهگیری 0.1 متر تا 70 متر را پوشش میدهد. این دستگاه میتواند با اندازهگیری سطح/سطح مواد مایعات و برخی از ذرات جامد (مانند ذرات پلاستیکی، پودر زغال سنگ) سازگار شود و نیازهای چندین صنعت مانند پتروشیمی، تصفیه آب، مواد غذایی و دارویی و ذخیره انرژی را برآورده کند.
هر دو روش اندازهگیری غیر تماسی هستند، اما فناوریهای اصلی آنها متفاوت است: فرستندههای سطح راداری بر اساس بازتاب امواج الکترومغناطیسی هستند، تحت تأثیر گرد و غبار، بخار و دما قرار نمیگیرند، دارای محدوده اندازهگیری وسیعی (0.1 متر تا 70 متر) هستند و برای شرایط کاری پیچیده مناسب هستند. سطحسنجهای اولتراسونیک بر اساس بازتاب امواج صوتی هستند. امواج صوتی به راحتی توسط گرد و غبار و دما تضعیف میشوند، دارای محدوده اندازهگیری باریکی (0.2 متر تا 10 متر) هستند و فقط برای سناریوهای اندازهگیری مایعات که تمیز و عاری از تداخل هستند، مناسب هستند.
بهینهسازیها باید از منظر انطباق با اصل کار انجام شود: فرکانسی را انتخاب کنید که با شرایط کاری مطابقت داشته باشد (26 گیگاهرتز برای شرایط کاری پیچیده)، سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی را کالیبره کنید (جبران در زمان واقعی بر اساس دمای محیط و فشار)، اطمینان حاصل کنید که ثابت دیالکتریک سطح مایع الزامات را برآورده میکند (از یک موجبر برای محیطهای با ثابت دیالکتریک کم استفاده کنید) و به طور منظم آنتن را تمیز کنید تا از تداخل ناشی از تجمع مواد جلوگیری شود، تا اندازهگیری با دقت بالا حفظ شود.
بر اساس اصل کار آنها، میتوانند با شرایط کاری خاصی مانند دمای بالا (≤400 درجه سانتیگراد)، فشار بالا (≤60 مگاپاسکال)، خوردگی شدید (محیطهای اسید-باز)، گرد و غبار زیاد (مانند سیلوهای سیمان، مخازن پودر زغال سنگ) و مه گرفتگی آسان (مانند مخازن تخمیر نوشیدنی) سازگار شوند. علاوه بر این، آنها نیازی به تعمیر و نگهداری مکرر ندارند و تجهیزات اندازهگیری سطح مایع ترجیحی در محیطهای صنعتی خشن هستند.
اصل کار فرستنده سطح راداری بر «تعامل امواج الکترومغناطیسی» متمرکز است. این دستگاه از طریق ارسال، بازتاب، دریافت و محاسبه دقیق، اندازهگیری سطح مایع غیر تماسی، با دقت بالا و بسیار سازگار را محقق میکند. مزایای فنی آن ناشی از انطباق عمیق با نیازهای سناریوهای صنعتی است. چه توانایی ضد تداخل در شرایط کاری سخت و چه سازگاری اندازهگیری در محدوده وسیع، هر دو توسط بهینهسازی و تکرار اصل کار هدایت میشوند. با ارتقای اتوماسیون صنعتی، فرستندههای سطح راداری مبتنی بر اصول کار پیشرفته همچنان تجهیزات اصلی برای اندازهگیری سطح مایع در صنایع مختلف خواهند بود و اندازهگیری صنعتی را به سمت «دقیقتر، پایدارتر و نگهداری کمتر» سوق میدهند.
اطلاعات تماس
تلفن:15901050329
