مقایسه اندازه گیری سطح به روش اولتراسونیک و راداری

وقتی صحبت از تکنیک‌های اندازه‌گیری و تشخیص سطح به روش های غیر‌تماسی non-contact measurin و پیوسته continuous به میان می‌آید، روش راداری و اولتراسونیک، دو فناوری رایج و کاربردی در این زمینه هستند. 

از تفاوت های بارز ترانسمیتر راداری و اولتراسونیک میتوان به موارد فوق اشاره کرد: سنسورهای اولتراسونیک برای اندازه گیری سطح با روش ساده‌تر و در فرایندهایی که تغییرات شرایط، ناچیز می باشد، ایده‌آل تر هستند در حالیکه سنسور‌های راداری برای محیط هایی با شرایط فرایندی بسیارخشن طراحی شده‌اند.

مزایای استفاده از لول ترانسمیتر راداری در مقابل لول ترانسمیتر اولتراسونیک

وقتی صحبت از تکنیک‌های اندازه‌گیری و تشخیص سطح به روش های غیر‌تماسی و پیوسته به میان می‌آید، روش راداری و اولتراسونیک، دو فناوری رایج و کاربردی در این زمینه هستند. 

همانطور که میدانیم سطح سنج راداری با استفاده از امواج ماکروویو یا الکترو‌مغناطیسی برای تشخیص مقدار سطح مخازن وسیلو‌ها بهره می‌برد و سطح سنج اولتراسونیک از طریق امواج الکترو‌مکانیکی(صوتی) نسبت به تشخیص سطح مواد درون مخازن استفاده می‌نماید.

از هر دو فناوری برای کاربردهای مشابه در صنایع استفاده می شود و هر دو نوع دستگاه تقریبا از اصول مشابهی برای اندازه گیری سطح استفاده می‌کنند. با این حال، هر یک از این فناوری ها در کاربردهای مختلف در جایگاه خود، حائز اهمیت هستند.

در این بحث سعی کرده ایم سنسور راداری را با سنسور اولتراسونیک برای اندازه‌گیری سطح مایعات و جامدات مقایسه کنیم. 

به عنوان فردی که تصمیم دارد از این تکنیک‌ها استفاده کند قطعا باید هنگام انتخاب یک روش اندازه‌گیری سطح، متغیرهای زیادی را در نظر داشته باشد.

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

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

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

ابزار سنجش سطح، در هر دو تکنیک، رو به پایین است و سیگنال ارسالی توسط سطح سیال، منعکس می‌شود. 

در این روش ها، سنسور الکترونیکی بر اساس زمان پرواز (TOF) محاسبه ها و اندازه گیری را انجام می دهد.

فرکانس و طول موج امواج التراسونیک معمولا بین 20 کیلو هرتز تا 1 گیگا هرتز می‌باشد.

زمان پرواز در لول سنج چست؟

به مدت زمانیکه، امواج از لحظه ارسال تا منعکس شدن از روی سطح مواد و رسیدن به خود سنسور، زمان پرواز نامیده می‌شود.

شاید شما هم در انتخاب سطح سنج ها با حروف اختصاری K – X – Ka – C و W مواجه شده‌اید و این حروف اختصاری ذهنتان را درگیر کرده باشد برای آشنایی با حروف اختصاری مربوط به سطح سنج های راداری در ادامه به شرح آنها می‌پردازیم:

فرکانس در سطح سنج راداری

•  C_band به مفهوم سنسور راداری که در طول موج 6 گیگا هرتز کار می‌کند 
• K_band در طول موج 26 گیگاهرتز کار می‌کند
• X_band در طول موج 10 گیگاهرتز کار می‌کند
• Ka_band در طول موج 40-27 گیگاهرتز کار می‌کند
• W_band در طول موج 85-75 گیگاهرتز کار می‌کند

نوع و شکل سیگنال مورد استفاده در این تکنیک‌ها بسیار متفاوت است.

در ادامه مطلب با توجه به مشخصات و تعریفات سنسور راداری و اولتراسونیک اقدام به مقایسه اندازه گیری سطح به روش اولتراسونیک و روش راداری، می‌پردازیم.

لول ترانسمیتر راداری برای تشخیص و اندازه‌گیری سطح

امواج ریز موج رادار، در واقع امواج الکترومغناطیسی هستند؛ به این معنی که برای انتقال سیگنال‌ها به محیط فیزیکی نیازی ندارند و امواج رادار می تواند در خلأ نیز حرکت کند.

 به همین دلیل است که سیگنال های راداری تحت تأثیر شرایطی همچون دما، فشار و نوع مواد فرآیند (به شرایط محیطی که سنسور در آنجا نصب می‌شود) قرار نمی‌گیرند. حتی کف و بخارات ناشی از مواد تاثیری بر روی دقت اندازه گیری ندارند.

این فناوری، لول ترانسمیتر رادار را به یک تکنیک اندازه گیری سطح بی‌رقیب تبدیل می‌کند که به صورت گسترده در صنایع برای تشخیص سطح طیف وسیعی از مواد، مایع و جامد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سنسورهای رادار با استفاده از فرکانس 80 گیگاهرتز، دارای زاویه پرتویی بسیار باریک هستند؛ 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 در خروجی سنسور راداری سیگنال بسیار مطلوبی ارسال میکند.

تمرکز ویژه پرتوی رادار همچنین هر “نویز” یا بازتاب ناخواسته مزاحم را به حداقل می‌رساند.

روش اولتراسونیک برای اندازه گیری سطح

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

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

سرعت انتشار امواج صوتی سطح سنج اولتراسونیک، وابستگی زیادی به درجه حرارت هوا، فشار، چگالی، نویز و ترکیب گاز محیطی که در آنجا نصب شده است دارد. پس اگر هر یک از این خصوصیات در حین فرآیند در حال تغییر باشد، می تواند منجر به خطاهای اندازه گیری گردد. 

برخلاف فرکانس و طول موج سنسور رادار، فرکانس اولتراسونیک، بیشتر تابعی از محدوده اندازه گیری است؛ فرکانس های بالا برای اندازه گیری مسافت های طولانی تر و فرکانس های پایین برای اندازه گیری فواصل کوتاه تر. از این مطلب نتیجه میگیریم که ترانسمیتر اولتراسونیک برای مخازنی با ارتفاع بالا مناسب نیست.

برخی از سطح سنج های اولتراسونیک می توانند سیگنال‌های خود را به اندازه زاویه پرتو، تقریبا در حدود 4 یا 5 درجه متمرکز کنند، اما به دلیل شکل و نوع امواج صوتی، در قسمت سنسور احتمالاً بازتاب های ناخواسته را نیز از درون مخزن، خواهیم داشت. این بدان معنی است که دقت اندازه گیری سیگنال های دریافتی، بسیار کاهش پیدا خواهد کرد.

ارتباط مستقیم اندازه مخزن و نوع مواد در انتخاب روش های اندازه گیری

برای انتخاب بهتر سنسور برای اندازه گیری سطح، باید شکل، اندازه و مواد داخل مخزن را به دقت شناسایی کنید. این بررسی‌ها درک بهتری از انتخاب نوع روش اندازه گیری برای کاربرد شما فراهم خواهد کرد. سپس با تعیین محل و نحوه نصب سنسور می‌توان اندازه‌گیری دقیق و قابل اطمینان‌تری از سطح بدست آورد.

سطح سنج های راداری بر حسب فرکانس و طول موج ارسالی برای اندازه گیری سطح مخازن با ارتفاع بالا تر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مقابل، سنسورهای اولتراسونیک صرفا برای فاصله‌های کمتر، عمل می‌کنند.

با پیشرفت فناوری، سنسورهای اولتراسونیک به ورطه فراموشی سپرده می‌شوند. به خاطر همین برای اکثر مخازن کوچک و بزرگ، مرتفع و کوتاه، سنسورهای راداری عملکردی دقیق و بهتر دارند. 

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

در مخازن ارتفاع متوسط نیز روش راداری عملکرد خوبی نسبت به روش اولتراسونیک دارد و قطعا هنگام استفاده از سطح سنج های اولتراسونیک در این نوع مخزن ها، باید برای هر گونه نقص یا اختلال آمادگی داشته باشید.

سنسورهای اولتراسونیک با فرکانس پایین که برای مخازن بلندتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، معمولاً به مخازنی با قطر و دهانه بزرگتری نیاز دارند. علاوه بر این، همه سنسورهای اولتراسونیک دارای یک “منطقه نزدیک” یا “ناحیه مرده” هستند. این محدوده در واقع یک نقطه کور در نزدیکی سنسور است که هر سطحی یا موادی در آنجا وجود داشته باشد، سطح سنج اولتراسونیک قادر به اندازه گیری آن نیست. “ناحیه مرده” در سنسورهای اولتراسونیک دوربُرد ممکن است در حدود 1متر باشند. درمقابل، سنسورهای راداری، قابلیت اندازه گیری حتی در نزدیکی های آنت رادار را دارند.

شکل مخزن همچنین عاملی برای انتخاب فناوری اندازه گیری سطح به روش غیر تماسی است. این امر می تواند در نحوه نصب سنسور تأثیرگذار باشد. مثلا: امروزه با ساخته شدن ترانسمیتر های راداری زاویه پذیر و دارای فناوری پاک کننده آنتن، مشکلات نصب و راه اندازی مخازن خاص و دارای گرد و غبار حل شده است. اما برای روش قدیمی مثل اولتراسونیک نیاز به فراهم کردن اتصالات جدیدی است.

سیگنال‌های راداری می توانند به مخازن ساخته شده از مواد غیر رسانا مانند پلی اتیلن، فایبرگلاس و شیشه‌ای نفوذ کنند. این ویژگی منحصر بفرد و کاربردی اجازه می‌دهد تا سنسورهای راداری براحتی در بیرون مخازن، نصب شده و عمل اندازه‌گیری سطح را با دقت بالایی انجام دهد. همچنین در مورد مخازن متحرک مانند IBC ها، که محتویات آنها فقط از طریق اپراتور تخمین زده می‌شد می‌توانید از سنسور راداری جدید وگا، که منحصرا برای مخازن پلاستیکی IBC طراحی شده است، استفاده شود. این سطح سنج های راداری دارای باطری با طول عمر متوسط 5 تا 10 سال هستند و قادرند تا اطلاعات مخازن را بی وقفه بصورت وایرلس(بی سیم) به اتاق کنترل یا گوشی موبایل اپراتور انتقال دهند. سطح سنج های راداری وگا Air از این دسته هستند.

شرایط فرآیندها

هر فرآیند، چالش های خود را برای اندازه‌گیری دقیق سطح دارد. شرایط ثابت و قابل پیش بینی در فرآیندهای صنعت، یک ویژگی ارزشمند و برجسته به شمار میرود. 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 مهندس طراح است که بتواند بهترین فناوری را برای استفاده از ابزارها انتخاب کند.

تاثیرات شرایط محیطی بر روش اندازه گیری

درجه حرارت

سنسورهای راداری برای سنجش سطح از هرگونه تغییرات دمایی در امان هستند. در مقابل، دقت سنسورهای اولتراسونیک می تواند به شدت تغییر پذیر باشد. هرچند سازندگان این نوع سنسورها بتازه‌گی برای مقابله با این عامل، ترانسمیترهای اولتراسونیکی با تحمل اندازه گیری در شرایط بد دمایی را، تا حدی بالا برده‌اند. 

با این حال، اگر دمای محیطی که ترانسمیتر اولتراسونیک در انجا قرار دارد تفاوت زیادی با دمای سطح سیال داشته باشد، اندازه گیری سطح، متوقف خواهد شد.

قطعا این مسله نیز حائز اهمیت است که سطح سنج‌های اولتراسونیک با توجه به اینکه از تکنولوژی سطح پایینی برخوردارند، مناسب نصب در محیط‌هایی با دمای بالا و حتی با تغییرات سریع دمایی نیستند.

ترکیب گاز

مشابه با تغییرات دما، ترکیب گاز موجود در محیط (بین سنسور و سطح مواد)، بر روی امواج صوتی سنسورهای اولتراسونیک تأثیر بسزایی دارد. بعضی از مواد در چندین از خود گاز متساعد می‌کنند، مثلا: با افزایش دما، ذات خود ماده و ترکیب چندین ماده با هم موجب تولید گاز میشود. در چنین شرایطی سطح سنج اولتراسونیک بدرستی عمل اندازه‌گیری سطح مواد را انجام نمی‌دهد.

سرعت انتشار امواج اولتراسونیک بسته به نوع گاز متفاوت است و این عامل می تواند منجر به خطاهای متعدد اندازه گیری شود. مخصوصا بخارات حاصل از اسیدها و حلال ها نمونه هایی از این ترکیبات گازی هستند. این موارد می توانند بر دقت دستگاه های اولتراسونیک تأثیر بسزایی بگذارند.

اما، امواج سطح سنج راداری بدون در نظر گرفتن هوای محیط با همان سرعت حرکت می کند. به همین دلیل، اندازه گیری در مخازن حاوی گاز تاثیری بر دقت نتایج سنسور راداری ندارد.

تشکیل کف و حباب در سطح مواد

از دیگر برتری سطح سنج راداری نسبت به سطح سنج اولتراسونیک در مواجهه با کف یا فوم درون مخازن یا استخرهایی که در آنها دائما تشکیل کف یا فوم می‌شود. فوم یا کف یک عامل مختل کننده دیگر برای فناوری اندازه گیری سطح به روش اولتراسونیک است، زیرا فوم، امواج صوتی را جذب می کند. در حالیکه جذب امواج سنسور راداری توسط کف، بسیار نادر و تقریبا غیر ممکن است. 

حتی در مخازن حاوی موادی که کف تولید می‌شود، یک سنسور رادار 80 گیگاهرتزی می تواند براحتی اندازه گیری را از طریق کف موجود با دقت بسیار بالا (نهایتا با اختلاف 1 میلیمتر) هم انجام دهد، گویی که هیچ کف یا فوم بروی مواد قرار ندارد! بسیاری از سنسورهای اولتراسونیک برای این کاربردها اصلا مناسب نیستند.

بازتابش یا انعکاس از محصول

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. 

حتی مایعات و موادی که قبلاً با سنسورهای راداری قدیمی غیرقابل اندازه‌گیری و سنجش سطح بودند اکنون می‌توانند به کمک امواج رادار 80 گیگا هرتز براحتی، با دقت بالا و قابل اعتماد، برای سطح سنجیده شوند. 

امواج مکانیکی ساطع شده توسط سطح سنج اولتراسونیک، در اکثر سطوح، منعکس می شوند. و کارایی لازم را در مواجهه با مواد با بازتابش بالا ندارند.

گرد و غبار، چگالش و تجمع

به ندرت اتفاق می‌افتد که گرد و غبار، چگالش و فشار بالا در یک مخزن بصورت همزمان مشاهده شود. اما هر کدام از این عوامل اثرات مشابهی بر دقت اندازه‌گیری سنسورهای اولتراسونیک دارند و باعث مختل شدن عمل سنجش سطح می‌شوند.

امواج صوتی ساطع شده از سنسورهای اولتراسونیک، 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.

مخازن دارای فشار بالا باعث می‌شود دیافراگم سنسور هنگام ارتعاش برای تولید سیگنال به عنوان محیط فیزیکی عمل کند. که در اینجا بالا رفتن فشار مخزن، قدرت سیگنال را در مقایسه با مقدار آن در حالت کم فشار، کاهش می‌دهد. 

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

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

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 امواج 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.

سیگنال مزاحم یا نویز

نویز بلند به ویژه در سنجش سطح در مواد فله‌ای جامد و داخل سیلوها معمول است. نویز بلند باعث ایجاد امواج صوتی اضافی می‌شود. این امر می تواند نتایج اندازه‌گیری و تشخیص سطح را در مخازنی که از لول سنج اولتراسونیک استفاده شده را تحت تاثیر قرار دهد.

به زبان تخصصی‌ تر نویز بر روی امواج صوتی تولید شده توسط ترانسمیتر اولتراسونیک می‌تواند 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 مزایای سنسورهای راداری چون از امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند، نویز تأثیری در دقت اندازه گیری آنها ندارد.

تاثیر میکسر یا همزن بروی اندازه‌گیری

اگر در مخزنی که دارای میکسر یا همزن است، سطح سنج اولتراسونیک نصب گردد به هیچ عنوان عمل اندازه‌گیری سطح بدرستی انجام نخواهد شد، حتی استفاده از سنسور های راداری با فرکانس 26 گیگا هرتز دارای خطای اندازه‌گیری است. تنهاترین راه حل سنجش صحیح مواد، در مخازنی که دارای میکسر هستند نصب ترانسمیتر رادرای 80 گیگا هرتز است

خرید سطح سنج راداری

نتیجه گیری:

کار بسیار عاقلانه ای خواهد بود اگر یک لول ترانسمیتر راداری را به جای ترانسمیتر اولتراسونیک انتخاب کنید. این جمله به معنای منسوخ شدن سنسورهای اولتراسونیک نیست. 

سنسورهای التراسونیک اندازه گیری ها را به روش غیر تماسی انجام می دهند. اما در محیط های با دما و فشار بالا یا شرایط محیطی تغییر پذیر چندان قابل اعتماد و دقیق نیستند.

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

آداک فرایند سپهر مطمئن ترین مرکز مشاوره سطح سنج راداری و اولتراسونیک در ایران