Chọn tần số phù hợp cho bộ phát tín hiệu đo mức bằng radar.

Công nghệ cảm biến mức bằng radar đã không ngừng được cải tiến trong 40 năm qua và hiện nay là một trong những công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất. đo lường cấp công nghiệp Các thiết bị đo mức bằng radar thường được chia thành hai loại: radar sóng dẫn hướng (GWR), sử dụng đầu dò hoặc cáp tiếp xúc, và radar không tiếp xúc, phát sóng vi ba qua ăng-ten mà không cần chạm vào môi trường.

Trong những năm gần đây, các thiết bị đo mức bằng radar không tiếp xúc cũng đã có những phát triển mới trong cách lựa chọn tần số vi sóng. Các thiết bị này thường có ba dải tần: tần số thấp (6 đến 11 GHz), tần số trung bình (24 đến...). 29 GHz ), và tần số cao ( 80 GHz ), và các thiết bị đo mức bằng radar trong phạm vi này hiện đang được sử dụng để cung cấp các phép đo chính xác và đáng tin cậy tại hiện trường.

Càng nhiều thiết bị có sẵn thì càng tốt cho người dùng cuối. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất khi lựa chọn là phải phù hợp dải tần số với ứng dụng thực tế. Mỗi ứng dụng đều có một dải tần số phù hợp nhất, và không phải dải tần số nào cũng phù hợp với mọi ứng dụng. Vì vậy, người dùng nên cân nhắc kỹ lưỡng điểm mạnh và điểm yếu của từng dải tần số, cùng với các điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, trước khi đưa ra lựa chọn.

Ảnh hưởng của các dải tần số đến độ chính xác của phép đo

Thiết bị radar đo khoảng cách giữa chính nó và một bề mặt bằng cách sử dụng sóng vi ba mà nó phát ra. Nó thực hiện điều này bằng cách tính toán thời gian cần thiết để xung sóng đến được bề mặt cần đo và phản xạ trở lại thiết bị.

Tần số quyết định bước sóng: tần số càng cao, bước sóng càng ngắn.

Hấp thụ và suy giảm tín hiệu

Tần số là thuộc tính cơ bản nhất của bất kỳ cảm biến đo mức bằng radar nào, và nó ảnh hưởng đến hiệu suất đo theo nhiều cách. Ví dụ, sóng vi ba tần số cao khi đi qua môi trường sẽ bị hấp thụ nhiều hơn, làm suy yếu tín hiệu phản hồi.

Nó giống như nghe nhạc xuyên qua một bức tường vậy. Âm trầm tần số thấp có thể xuyên qua tường, trong khi âm bổng tần số cao thì hầu như không thể.

Tương tự, bọt, bụi, hơi nước và sự ngưng tụ có xu hướng gây cản trở việc đo mức vì chúng đặc biệt gây nhiễu tín hiệu radar tần số cao, làm suy yếu tín hiệu phản hồi và ảnh hưởng đến độ chính xác tổng thể.

Cường độ tín hiệu luôn giảm khi truyền qua môi trường. Do đó, tín hiệu tần số cao thường bị suy giảm nhiều hơn so với tín hiệu tần số trung bình hoặc thấp.

Góc chùm tia và kích thước anten

Tần số cũng có ảnh hưởng lớn đến góc và độ rộng chùm tia của ăng-ten radar. Tín hiệu tần số cao có thể đạt được góc chùm tia hẹp với ăng-ten nhỏ, và góc chùm tia hẹp rất hữu ích vì chúng giúp tránh các vật cản bên trong bể chứa và tàu thuyền.

Tuy nhiên, radar tần số thấp cũng có thể đạt được góc chùm tia hẹp, chỉ cần ăng-ten lớn hơn. Vì vậy, người dùng cần tính toán xem thực tế có bao nhiêu không gian trên tàu để lắp đặt.

Chùm tia hẹp cũng có nhược điểm riêng: bất kỳ vật cản nào trong bể đều có thể chặn hoàn toàn chùm tia hẹp, trong khi chùm tia rộng hơn có thể chỉ bị chặn một phần mà vẫn cho kết quả đo chính xác.

Sự nhiễu loạn và tán xạ tín hiệu

Sự nhiễu loạn trong chất lỏng của quá trình cũng có thể ảnh hưởng đến phép đo radar. Sóng và gợn sóng trên bề mặt khiến sóng vi ba bị tán xạ thay vì phản xạ sạch trở lại ăng-ten, và điều này có thể gây ra tổn thất cường độ tín hiệu lên đến 90%, làm giảm cả độ tin cậy và độ chính xác. Bước sóng ngắn trong truyền dẫn tần số cao đặc biệt nhạy cảm với điều này.

Các thiết bị radar tần số cao thế hệ mới hơn, thường được chế tạo ở tần số khoảng 80 GHz, sử dụng bước sóng ngắn hơn nhiều và góc chùm tia rất hẹp. Chùm tia hẹp đó hoạt động tốt trên các tàu nhỏ và các loại bột mịn, nơi mà chùm tia rộng không thể tránh được các vật cản bên trong. Nhưng nó cũng có những nhược điểm tương tự như các loại radar tần số cao khác: bọt, hơi nước và nhiễu loạn vẫn làm suy yếu tín hiệu, vì vậy 80 GHz không phải là giải pháp cho các bể chứa bẩn hoặc có nhiều bọt như đã mô tả trước đó.

Sự nhiễu loạn và tán xạ tín hiệu

Việc đo mức bằng radar có thể bị ảnh hưởng bởi sự nhiễu loạn trong chất lỏng được xử lý. Điều này là do trên bề mặt chất lỏng, sóng vi ba va chạm với các gợn sóng. Thật không may, sóng vi ba này sẽ bị phân tán và tán xạ thay vì phản xạ trở lại ăng-ten do sự nhiễu loạn. Điều này có thể làm giảm cường độ tín hiệu khoảng 90% và do đó ảnh hưởng đến độ tin cậy và độ chính xác của phép đo. Vì vậy, điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến các bước sóng ngắn trong truyền dẫn tần số cao.

Các thiết bị radar tần số cao thế hệ mới hơn, thường được chế tạo ở tần số khoảng 80 GHz, sử dụng bước sóng ngắn hơn nhiều và góc chùm tia rất hẹp. Chùm tia hẹp đó hoạt động tốt trên các tàu nhỏ và các loại bột mịn, nơi mà chùm tia rộng không thể tránh được các vật cản bên trong. Nó cũng có những nhược điểm tương tự như các loại radar tần số cao khác: bọt, hơi nước và nhiễu loạn vẫn làm suy yếu tín hiệu, vì vậy 80 GHz không phải là giải pháp cho các bể chứa bẩn hoặc có nhiều bọt như đã mô tả trước đó.

Lựa chọn tần số phù hợp cho các ứng dụng khác nhau

Có rất nhiều ứng dụng đo mức bằng radar khác nhau trong các ngành công nghiệp chế biến, và mỗi ứng dụng đều đi kèm với những thách thức riêng. Đó là lý do tại sao điều quan trọng là người dùng phải tìm ra dải tần số nào thực sự phù hợp với tình huống của họ. Dưới đây là một vài kịch bản phổ biến đáng để xem xét.

Ăng-ten bị bám bẩn và nhiễm bẩn

Bụi bẩn và chất gây ô nhiễm tích tụ trên ăng-ten theo thời gian có thể ảnh hưởng đến hướng và cường độ tín hiệu radar. Tín hiệu tần số trung bình và thấp hầu như không bị ảnh hưởng bởi điều này, vì chúng có độ nhạy thấp với chất gây ô nhiễm. Tín hiệu tần số cao lại là một câu chuyện khác: bất kỳ bụi bẩn nào bám trên ăng-ten đều hấp thụ một phần lớn năng lượng tín hiệu và cũng có thể làm lệch hướng chùm tia. Ngay cả một lượng nhỏ bụi bẩn phân bố không đều cũng có thể làm lệch chùm tia khoảng 1,5 độ. Điều này đặc biệt gây ra vấn đề đối với radar chùm tia hẹp, vì ăng-ten sẽ không thu được tín hiệu phản hồi một cách chính xác và cường độ tín hiệu giảm đáng kể. Các silo xi măng và nhà máy chế biến quặng Những khu vực có nồng độ bụi đặc biệt cao là ví dụ điển hình cho thấy radar tần số trung bình và thấp hoạt động tốt hơn.

Các bể chứa hơi nước hoặc nước ngưng tụ

Tiếng ồn từ các giọt nước có thể gây khó khăn trong việc thu được tín hiệu phản xạ rõ nét từ bề mặt sản phẩm khi có hơi nước hoặc sự ngưng tụ. Điều này chủ yếu ảnh hưởng đến các tín hiệu tần số cao, vì vậy các công nghệ tần số trung bình và thấp là lựa chọn tốt hơn trong trường hợp này. Thiết kế anten cũng rất quan trọng. Anten có bề mặt phẳng, nằm ngang không phù hợp với môi trường dễ bị ngưng tụ. Kiểu thiết lập này thường thấy trong các bể chứa nước cấp cho nồi hơi hoặc các lò phản ứng hóa học có lớp vỏ hơi nước được gia nhiệt.

Các ứng dụng liên quan đến nhiễu loạn, gợn sóng và sóng.

Chất lỏng trong các bể chứa lớn thường có những gợn sóng trên bề mặt, và loại nhiễu loạn này là một trở ngại thực sự đối với việc đo lường tần số cao. Các thiết bị tần số cao có bước sóng ngắn, vì vậy ngay cả chuyển động nhỏ trên bề mặt cũng có thể làm tán xạ tín hiệu thay vì phản xạ lại một cách rõ ràng, làm suy yếu tín hiệu phản hồi. Các thiết bị tần số trung bình và thấp xử lý vấn đề này tốt hơn, vì chúng phát ra bước sóng dài hơn. Các bể chứa dầu thô lớn và các bể sục khí tại các nhà máy xử lý nước thải, nơi bề mặt liên tục bị khuấy động, là những ví dụ điển hình mà radar tần số trung bình và thấp là lựa chọn đáng tin cậy hơn.

Ứng dụng dạng bọt

Việc đo lường chính xác trở nên khó khăn hơn khi bề mặt bị phủ bởi bọt, vì những lý do tương tự như hiện tượng ngưng tụ và bụi bẩn: bọt hấp thụ tín hiệu radar. Các thiết bị tần số thấp thường hoạt động tốt trong trường hợp này và cho kết quả đo đáng tin cậy hơn. Vì đặc tính của bọt rất đa dạng, tần số thấp phù hợp hơn với các loại bọt dày, đặc như mủ cao su, mật mía hoặc bia, trong khi tần số trung bình có thể xử lý các loại bọt nhẹ hơn. Mặt khác, các thiết bị tần số cao hoàn toàn không phù hợp với các ứng dụng có nhiều bọt.

Bể chứa chất lỏng số lượng lớn

Việc đo mức chất lỏng trong các kho chứa lớn, như bể chứa mái nổi, đôi khi được thực hiện thông qua các đường ống tĩnh. Radar tần số thấp thường là lựa chọn ưu tiên trong trường hợp này, vì nó ít nhạy cảm hơn với sự tích tụ chất lỏng trên thành ống và với các đường ống không thẳng hoàn hảo. Radar tần số cao thường gặp khó khăn trong cấu hình này. Các bể chứa dầu thô và sản phẩm tinh chế tại các nhà máy hóa dầu là một ví dụ điển hình về việc sử dụng radar tần số thấp kết hợp với các đường ống tĩnh.

Thêm vào đó, gió, sự phồng lên của bể chứa, bóng râm và ánh nắng mặt trời đều có thể gây ra sự dịch chuyển mái của các bể chứa hàng hóa số lượng lớn. Radar tần số cao nhạy hơn với loại độ nghiêng này do góc chùm tia hẹp của nó. Nếu trục của ăng-ten dịch chuyển dù chỉ một chút so với phương thẳng đứng, nó có thể bỏ sót hoàn toàn tín hiệu phản xạ.

Đo mức chất rắn

Tần số phù hợp để đo chất rắn thực sự phụ thuộc vào ứng dụng. Radar tần số trung bình và thấp có thể xử lý các chất rắn thô, bụi và hơi nước, trong khi radar tần số cao hoạt động tốt với các loại bột mịn. Kho chứa ngũ cốc Các bể chứa than, với các hạt thô và bụi nặng, phù hợp với radar tần số trung bình và thấp, trong khi các loại bột mịn như bột mì hoặc sữa bột có xu hướng đo chính xác hơn với radar tần số cao. Hiện tượng ngưng tụ thường là vấn đề đối với radar tần số cao, và khi kết hợp với một số chất rắn nhất định, nó có thể đẩy nhanh quá trình tích tụ làm tắc nghẽn các lỗ phun nhỏ và chặn các ăng-ten tần số cao, vốn thường có kích thước nhỏ ngay từ đầu.