مقایسه اندازه گیری سطح به روش التراسونیک و راداری

وقتی صحبت از تکنیک‌های اندازه‌گیری و تشخیص سطح به روش های غیر‌تماسی و پیوسته به میان می‌آید، روش راداری و التراسونیک، دو فناوری رایج و کاربردی در این زمینه هستند. همانطور که میدانیم انواع لول ترانسمیتر بر دو نوع است، تماسی و غیر تماسی، در این مقاله منظور از ترانسمیتر راداری غیرتماسی بررسی می‌شود.

از تفاوت های بارز ترانسمیتر راداری و التراسونیک میتوان به این موارد اشاره کرد: سنسورهای التراسونیک برای اندازه‌گیری سطح با روش ساده‌تر و در فرایندهایی که تغییرات شرایط، ناچیز می‌باشد، مناسب‌تر هستند در حالی که سنسور‌های راداری برای محیط‌هایی با شرایط فرایندی بسیار خشن طراحی شده‌اند.

مزایای استفاده از لول ترانسمیتر راداری در مقابل لول ترانسمیتر التراسونیک

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

از هر دو فناوری راداری و التراسونیک برای کاربردهای مشابه در صنایع استفاده می‌شود و هر دو نوع دستگاه تقریبا از اصول مشابهی برای اندازه‌گیری سطح استفاده می‌کنند. با این حال، هر یک از این فناوری‌ها در کاربردهای مختلف در جایگاه خود، حائز اهمیت هستند.

در این بحث سعی کرده‌ایم سنسور راداری را با سنسور التراسونیک 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 از آداک فرایند سپهر، نحوه عملکرد هر فناوری نسبت به تکنیک‌های دیگر مورد بحث قرار خواهد گرفت. با ما همراه باشید.

فناوری رادار و التراسونیک برای اندازه‌گیری سطح چگونه کار می‌کنند؟

ترانسمیتر رادار و التراسونیک، به طور مشابه عمل می‌کنند، 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 روش‌ها، سنسور الکترونیکی بر اساس زمان پرواز (TOF) محاسبه‌ها و اندازه‌گیری را انجام می‌دهد. فرکانس و طول موج امواج التراسونیک معمولا بین 20 کیلو هرتز تا 1 گیگا هرتز است.

زمان پرواز (TOF) در لول سنج‌ها چست؟

مدت زمانی که، امواج از لحظه ارسال تا منعکس شدن از روی سطح مواد و رسیدن به خود سنسور طول می‌‎کشد را زمان پرواز می‌گویند.

شاید شما هم در انتخاب سطح سنج‌ها با حروف اختصاری K – X – Ka – C و W مواجه شده‌ باشید و این حروف اختصاری ذهنتان را درگیر کرده باشند. برای آشنایی با حروف اختصاری مربوط به سطح‌ سنج‌های راداری در ادامه به شرح آنها می‌پردازیم:

انواع فرکانس 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 با توجه به مشخصات و تعریفات سنسور راداری و التراسونیک اقدام به مقایسه اندازه‌گیری سطح به روش التراسونیک 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 می‌توانند در خلأ نیز حرکت کنند. 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 اندازه‌گیری ندارند.

سطح سنج راداری چیست؟

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 در محدوده 3 الی 8 درجه (بستگی به مدل رادار دارد). این اندازه به این معنا است که بیشتر انرژی سیگنال رادار در یک منطقه کوچک متمرکز است و این باعث می‌شود که رادار مثل یک هوش مصنوعی حرکت‌های همزن یا میکسر را فیلتر می‌کند و در خروجی سنسور راداری سیگنال بسیار مطلوبی ارسال می‌کند.

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

روش التراسونیک برای اندازه‌گیری سطح

امواج سنسور التراسونیک از نوع امواج مکانیکی است، به این معنی که برای عبور و و انتقال، به یک محیط فیزیکی نیاز دارند. در اکثر موارد، این محیط فیزیکی همان هوای اطراف یا محیط داخل مخزن است. سرعت سیگنال التراسونیک بستگی به محیطی دارد که از آن عبور می‌کند.

سطح سنج التراسونیک چیست؟

سرعت انتشار امواج صوتی سطح سنج التراسونیک، 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 التراسونیک، بیشتر تابعی از محدوده اندازه گیری است؛ فرکانس های بالا برای اندازه‌گیری مسافت‌های طولانی‌تر و فرکانس‌های پایین برای اندازه‌گیری فواصل کوتاه‌تر. از این مطلب نتیجه می‌گیریم که این ترانسمیتر برای مخازنی با ارتفاع بالا مناسب نیست.

برخی از سطح سنج های التراسونیک می‌توانند 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 بازتاب‌های ناخواسته را نیز از درون مخزن، خواهیم داشت. این بدان معنی است که دقت اندازه‌گیری سیگنال های دریافتی، بسیار کاهش پیدا خواهد کرد.

ارتباط مستقیم اندازه مخزن و نوع مواد در انتخاب روش‌های اندازه‌گیری

برای انتخاب بهتر سنسور برای اندازه‌گیری سطح، باید شکل، اندازه و مواد داخل مخزن را به دقت شناسایی کنید. این بررسی‌ها درک بهتری از انتخاب نوع روش اندازه‌گیری 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 سنج‌های راداری بر حسب فرکانس و طول موج ارسالی برای اندازه‌گیری سطح مخازن با ارتفاع بالا تر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مقابل، سنسورهای التراسونیک صرفا برای فاصله‌های کمتر، عمل می‌کنند.

با پیشرفت فناوری، سنسورهای التراسونیک 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 التراسونیک دارد و قطعا هنگام استفاده از سطح‌ سنج‌های التراسونیک در این نوع مخزن‌ها، باید برای هر گونه نقص یا اختلال آمادگی داشته باشید.

سنسورهای التراسونیک 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 التراسونیک 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 التراسونیک قادر به اندازه‌گیری آن نیست. “ناحیه مرده” در سنسورهای التراسونیک دوربُرد ممکن است در حدود 1متر باشد. درمقابل، سنسورهای راداری، قابلیت اندازه‌گیری حتی در نزدیکی های آنتن رادار را دارند.

همچنین شکل مخزن عاملی برای انتخاب فناوری اندازه‌گیری سطح به روش غیرتماسی است. این امر می‌تواند در نحوه نصب سنسور تأثیرگذار باشد. مثلا: امروزه با ساخته شدن ترانسمیترهای راداری زاویه‌پذیر و دارای فناوری پاک‌کننده آنتن، مشکلات نصب و راه‌اندازی مخازن خاص و دارای گرد و غبار حل شده است؛ اما برای روش قدیمی مثل اوتراسونیک نیاز به فراهم کردن اتصالات جدیدی است.

سیگنال‌های راداری می‌توانند به مخازن ساخته‌شده از مواد غیررسانا مانند پلی اتیلن، فایبرگلاس و شیشه‌ای نفوذ کنند. این ویژگی منحصر بفرد و کاربردی اجازه می‌دهد تا سنسورهای راداری به راحتی در بیرون مخازن، نصب شده و عمل اندازه‌گیری سطح را با دقت بالایی انجام دهند.

همچنین در مورد مخازن متحرک مانند IBCها، 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 کنید. این سطح‌ سنج‌های 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 سنج‌های راداری وگا Air از این دسته هستند.

شرایط فرآیندها چه تاثیری در انتخاب سطح سنج دارند

هر فرآیندی، چالش های خود را برای اندازه‌گیری دقیق ارتفاع و سطح دارد. شرایط ثابت و قابل پیش‌بینی در فرآیندهای صنعتی، یک ویژگی ارزشمند و برجسته به شمار می‌رود. اما تغییر دما، تشکیل کف، بازتابش از محصول، گرد و غبار، میعان (تراکم)، تجمع و نویز، موانعی جدی برای دقت اندازه‌گیری محسوب می‌شوند. این وظیفه مهندس طراح است که بتواند بهترین فناوری را انتخاب نماید.

پس اگر شرایط محیطی بسیار ناپایدار باشد بایستی اولین گزینه هر مهندسی استفاده از سطح سنج راداری 80GHz باشد.

تاثیرات شرایط محیطی بر روش‌های اندازه‌گیری

شرایط محیطی نیز یکی از جمله عواملی هستند که بر روش اندازه‌گیری تاثیر عمده‌ای دارند. در ادامه بیشتر به این موضوع می‌پردازیم:

درجه حرارت

سنسورهای راداری برای سنجش سطح از هرگونه تغییرات دمایی در امان هستند. در مقابل، دقت سنسورهای التراسونیک می‌تواند به شدت تغییرپذیر باشد. هرچند سازندگان این نوع سنسورها به تازگی برای مقابله با این عامل، ترانسمیترهای التراسونیکی با تحمل اندازه‌گیری در شرایط بد دمایی را تا حدی بالا برده‌اند.

با این حال، اگر دمای محیطی که ترانسمیتر التراسونیک در آنجا قرار دارد تفاوت زیادی با دمای سطح سیال داشته باشد، اندازه‌گیری سطح، متوقف خواهد شد.

قطعا این مسله نیز حائز اهمیت است که سطح‌ سنج‌های التراسونیک با توجه به این که 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 التراسونیک تأثیر بسزایی دارد. بعضی از مواد 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 التراسونیک به درستی عمل اندازه‌گیری سطح مواد را انجام نمی‌دهد.

سرعت انتشار امواج التراسونیک بسته به نوع گاز متفاوت است و این عامل می‌تواند منجر به خطاهای متعدد اندازه‌گیری شود. مخصوصا بخارات حاصل از اسیدها و حلال‌ها نمونه‌هایی از این ترکیبات گازی هستند. این موارد می‌توانند بر دقت دستگاه‌های التراسونیک تأثیر بسزایی بگذارند.

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

تشکیل کف و حباب در سطح مواد

از دیگر برتری‌های سطح سنج راداری نسبت به سطح سنج التراسونیک مربوط به موقعیت‌های مواجهه با کف یا فوم درون مخازن یا استخرهایی است که در آنها دائما تشکیل کف یا فوم می‌شود. فوم یا کف یک عامل مختل‌کننده دیگر برای فناوری اندازه‌گیری سطح به روش التراسونیک است؛ زیرا فوم، امواج صوتی را جذب می‌کند. در حالیکه جذب امواج سنسور راداری توسط کف، بسیار نادر و تقریبا غیرممکن است.

حتی در مخازن حاوی موادی که کف تولید می‌شود، یک سنسور رادار 80 گیگاهرتزی می‌تواند به راحتی اندازه‌گیری 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 التراسونیک برای این کاربردها اصلا مناسب نیستند.

باز تابش یا انعکاس امواج از محصول

حساسیت بالای سنسورهای راداری 80 گیگاهرتزی VEGA به آنها این امکان را می‌دهد که اندازه‌گیری 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 به راحتی، با دقت بالا و قابل اعتماد، برای سطح سنجیده شوند.

امواج مکانیکی ساطع‌‎شده توسط سطح سنج التراسونیک، در اکثر سطوح منعکس می‌شوند. 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 التراسونیک دارند و باعث مختل شدن عمل سنجش سطح می‌شوند.

امواج صوتی ساطع شده از سنسورهای التراسونیک، 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 می‌کند.

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 التراسونیک با فرکانس های پایین‌تر، برای کنترل این شرایط، بهتر عمل می‌کنند؛ زیرا یک موج مکانیکی با فرکانس پایین، قطرات آب یا مواد تجمع یافته را از روی آن حذف می کند.

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

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 اندازه‌گیری را ادامه دهد. این ویژگی به رادار اجازه می دهد تا در موارد مختلف، حتی با حضور گرد و غبار، چگالش یا تجمع، اندازه‌گیری 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 التراسونیک استفاده شده را تحت تاثیر قرار دهد. به زبان تخصصی‌‌تر نویز بر روی امواج صوتی تولید شده توسط ترانسمیتر التراسونیک می‌تواند تداخل ایجاد کند. این حالت می تواند منجر به خطاهای اندازه‌گیری 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 التراسونیک نصب گردد به هیچ عنوان عمل اندازه‌گیری سطح به درستی 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.

نتیجه گیری

کار بسیار عاقلانه ای خواهد بود اگر یک لول ترانسمیتر راداری را به جای ترانسمیتر التراسونیک انتخاب کنید. این جمله به معنای منسوخ شدن سنسورهای التراسونیک نیست. سنسورهای التراسونیک اندازه‌گیری‌ها را به روش غیر تماسی انجام می‌دهند. اما در محیط‌های 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 مطمئن‌ترین مرکز مشاوره سطح سنج مخازن و سیلوها در ایران.