ما مزايا وعيوب أجهزة إرسال مستوى الرادار؟ التركيب واختلافات التردد ودليل الاختيار

تُستخدم أجهزة إرسال قياس مستوى بالرادار على نطاق واسع في قياس مستوى مستمر داخل خزانات صناعية، وأنظمة معالجة المياه، والعمليات الكيميائية، وتخزين البترول، وإنتاج الأغذية، والتعدين، بالإضافة إلى أسطوانات التخزين للمواد الصلبة بالكميات الكبيرة. ووفقًا لمبدأ القياس وبنية المجس المستخدم، يمكن تقسيم قياس مستوى بالرادار في التطبيقات الصناعية عمومًا إلى نوعين: رادار غير تلامسي، ورادار موجي موجه.

يُرسِل جهاز إرسال رادارٍ لا يعتمد على التلامس موجات كهرومغناطيسية عبر هوائيٍ باتجاه سطح المادة، ثم يحسب المسافة من الإشارة المنعكسة. أما جهاز رادار الموجة الموجهة، فيُوجِّه نبضة الرادار على طول قضيبٍ أو كابلٍ. وتُستخدم كلتا التقنيتين مبادئ الرادار، لكن طرق تركيبها، وتطبيقاتها الملائمة، ومتطلبات صيانتها تختلف عن بعضها البعض.

1. كيف يعمل جهاز إرسال مستوى راداري؟

يُصدر جهاز إرسال مستوى بالرادار موجات كهرومغناطيسية ذات ترددٍ عالٍ باتجاه سطح العملية. وعندما يصل إشارة الرادار إلى سطح سائل أو معلق أو مادة صلبة مُتراوَرة، تنعكس جزء من الإشارة عائدًا إلى الجهاز. ثم يقوم جهاز الإرسال بتحليل زمن انتقال الإشارة أو الفرق في ترددها بين الإشارة المرسلة والمُنعكسة، وذلك لحساب المسافة إلى سطح المادة.

عندما يكون الارتفاع المرجعي للدبابات أو الصوامع معروفًا ، يمكن حساب المستوى الفعلي على النحو التالي: مستوى

= الارتفاع المرجعي-المسافة من الرادار إلى سطح المادة

تستخدم أجهزة الرادار الصناعية الحديثة عادةً تقنية رادار النبض أو تقنية «FMCW» (الموجة المستمرة المُعدَّلة تردديًا). وبما أن الرادار يعتمد على موجات كهرومغناطيسية، فإنه لا يحتاج إلى هواء كوسيط لنشر الموجات، ويمكنه العمل في ظروف فراغ. كما أن حساسيته تجاه التغيرات في درجة حرارة الهواء وضغطه وتدفقه تكون عمومًا أقل مقارنةً بالقياس بالموجات فوق الصوتية.

2. ما هي الأنواع الرئيسية لأجهزة قياس مستوى الرادار؟

جهاز إرسال مستوى راداري بدون تلامس

يُثبَّت الهوائي فوق المادة، ولا يظل في تلامس مباشر مع وسط العملية. ويمكن استخدامه مع السوائل، والمواد اللزجة، والحبوب، والمواد المسحوقة، إضافةً إلى بعض أنواع المواد الصلبة غير المُتجانسة.

رادار الموجة الموجهة

تنتقل نبضة الرادار على طول قضيب أو كابل، وبالتالي تعتمد على هيكل قياس بالتماس. ويُعد هذا النوع من الرادار مناسبًا لاستخدامه مع بعض السوائل ذات ثابت عازل منخفض، وفي تطبيقات الرغوة، وكذلك في قياسات الواجهة، وفي غرف التجاوز.

يُعد رادار غير تلامسي خيارًا مناسبًا في الحالات التي يتطلب فيها تقليل التلامس المباشر مع وسط العملية إلى الحد الأدنى، في حين يُوفِّر رادار الموجات الموجهة مزايا في تطبيقات محددة تتعلق بال رغوة، أو الواجهات، أو الأحواض الضيقة. ويجب أن يُؤخذ في الاعتبار عند اتخاذ القرار النهائي نوع وسط العملية، ودرجة حرارته، وضغطه، ووجود رغوة، ومساحة التركيب، وظروف الصيانة.

: 3.المزايا الرئيسية لأجهزة إرسال مستوى الرادار من طراز

: قياس مستمر دون تلامس

لا تحتاج هوائيات الرادار غير التلامسية إلى التواجد مغمورة في الوسط، مما يقلل من التعرّض المباشر للتآكل، والتآكل الميكانيكي، وتراكم المواد.

: قدرة واسعة على العمل في نطاقات مختلفة من درجات الحرارة والضغط.

: اعتمادًا على النموذج المحدد، يمكن استخدام أجهزة الرادار في عمليات جوّية، وفي الفراغ، وفي ظروف ذات ضغط، وكذلك في عمليات ذات درجات حرارة عالية.

: مناسب للمواد السائلة والصلبة.

: تشمل تطبيقاته الماء، والنفط، والمواد الكيميائية، والخليطات السائلة، بالإضافة إلى الأسمنت، والحبوب، والمعادن، والفحم، وغيرها من المواد الصلبة الضخمة.

: يقلل شعاع ضيق من التداخل.

يمكن لرادار التردد العالي توليد شعاع قياس ضيق، مما يساعد على تفادي اصطدام الشعاع بجدران السفن أو الأنابيب أو العوارض الإنشائية أو غيرها من العوائق الداخلية.

لا يتأثر بشكل مباشر بتغيرات كثافة السائل

لا يعتمد قياس مستوى السائل باستخدام الرادار على الضغط الهيدروستاتيكي، وبالتالي فإن التغيرات في كثافة السائل لا تؤدي مباشرةً إلى حدوث خطأ في تحديد المستوى يشابه ذلك الذي يظهر في قياسات الضغط الهيدروستاتيكي.

تكامل آلي سهل\n

اعتمادًا على النموذج، قد تشمل الواجهات تيارًا من نوع 4-20mA، أو واجهة HART، أو واجهة RS485 Modbus RTU، وذلك لتمكين التكامل مع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC s)، وأنظمة التحكم الموزعة (DCS)، ووحدات التحكم في الموقع (RTUs)، وأنظمة SCADA.\n

4. ما هي قيود قياس مستوى باستخدام الرادار؟

على الرغم من اتساع نطاق تطبيقات الرادار، فإنه لا يكون مناسبًا تلقائيًا لكل عملية دون اختيارٍ دقيقٍ وتركيبٍ سليمٍ؛ إذ يمكن أن تؤثر عوامل مثل معامل الانعكاس المتوسط، أو وجود رغوة، أو تراكم الهوائي، أو وجود هياكل داخلية، أو موقع التثبيت، على أداء القياسات.

وسائط ذات ثابت عزل منخفض؛

أما الوسائط ذات معامل انعكاس ضعيف، فقد تتطلب نطاقًا ديناميكيًا أوسع، أو استخدام تردد راداري ومُعدِّل هوائي أكثر ملاءمةً.

رغوة سميكة؛

يمكن للرغوة الكثيفة أن تُخفف من إشارات الرادار، لذا لا ينبغي افتراض أن الرادار قادر على اختراق جميع أنواع الرغوة دون قيود.

تراكم ثقيل في الهوائي.

يمكن أن يؤدي وجود طبقة سميكة أو ترسبات أو تكثف إلى تقليل جودة الإشارات العكسية، ويجب تقييم هذه العوامل مع تصميم الهوائي ومعالجة الإشارة.

: الهياكل الداخلية المعقدة؛

: يمكن للمُحرِّكات، والملفات الحرارية، وهياكل الدعم، والأعمدة أن تُولِّد إشارات عكسية كاذبة؛

: موقع التثبيت؛

: حتى جهاز إرسال رادار عالي الأداء قد يُنتج قياسات غير مستقرة إذا تم تركيبه في موقع غير مناسب؛

: 5.ما الفرق بين رادار ذات ترددٍ عالٍ ورادار ذات ترددٍ منخفض؟

يؤثر تردد الرادار على الطول الموجي وحجم الهوائي وزاوية الشعاع ومدى ملاءمته لظروف العمليات المختلفة. تشمل تقنيات الرادار الصناعي الشائعة 24/26GHz و 80GHz رادار عدم الاتصال ، في حين يتم استخدام المنتجات ذات التردد المنخفض أيضًا في التطبيقات المحددة.

: كلما زاد التردد، قلّ طول الموجة. وبافتراض تساوي في حجم الهوائي، فإن الرادار ذي التردد الأعلى يمكنه عادةً إنتاج شعاع أضيق.يتميز رادار التردد المنخفض بطول موجي أطول، وقد يوفر مزايا في ظروف معينة تتعلق بال رغوة أو التكثف أو عمليات تصنيع خاصة.

6. أين تُعد رادارات التردد العالي مفيدة بشكل خاص؟

المزايا الرئيسية للرادار عالي التردد هي الطول الموجي الأقصر ، شعاع أضيق وهوائي أكثر إحكاما. على سبيل المثال ، مع نفس حجم الهوائي أو ما شابه ذلك ،80GHz يمكن أن ينتج الرادار بشكل عام شعاع أضيق من 26GHz الرادار ، مما يقلل من تأثير الهياكل الثابتة القريبة.

خزانات تخزين ضيقة أو صغيرة الحجم\n

حاويات تحتوي على أنابيب أو عوارض أو أجهزة تحريك\n

خزانات أسمنت أو حبوب أو معادن\n

تطبيقات تتطلب هوائيًا صغيرًا أو وصلة عملية\n

تركيبات تتطلب تقليل التداخل مع الجدران أو الهياكل إلى أدنى حد ممكن\n

قياسات على مسافات طويلة تتطلب تركيزًا دقيقًا للحزمة

لا يعني ارتفاع التردد بالضرورة دقة أعلى لكل جهاز قياس على حدة؛ إذ يعتمد الأداء الفعلي أيضًا على نطاق ديناميكي، ومعالجة الإشارات، ومدى انعكاسية الوسط، وتصميم الهوائي، وظروف التركيب.

7. في أي حالات ينبغي أخذ الرادار ذي التردد الأدنى أو الرادار القائم على الموجات الموجهة في الاعتبار؟

لا يزال للرادار منخفض التردد تطبيقات مهمة على الرغم من الاستخدام الواسع النطاق 80GHz التكنولوجيا. في العمليات ذات الرغوة الثابتة أو التكثيف الثقيل أو ظروف الطور الغازي غير العادية أو الوسائط العازلة المنخفضة المختارة ، قد يكون من المفيد مقارنة الرادار غير الملامس ذو التردد المنخفض ،80GHz رادار وموجة موجهة.

لذلك، فإن المبدأ الهندسي الصحيح لا يتمثل في «أن التردد الأعلى يكون دائمًا أفضل»، بل يتمثل في اختيار تقنية الرادار وفقًا لخصائص الوسط المُنعكس، وطبيعة الرغوة، وظروف التكثف، ونطاق القياس، وظروف التركيب.

8. طرق تركيب شائعة للرادار غير التلامسي

تُركَّب أجهزة إرسال رادار غير تلامسية عادةً من قمة السفينة أو الخزان أو السيلو، وذلك باستخدام وصلة ذات خيوط، أو شفة، أو دعامة تثبيت، أو أي نوع آخر من وصلات العمليات المناسبة. ويجب أن يمتلك الهوائي مسار قياسٍ واضحًا، وأن يكون موجهًا نحو سطح المادة بشكلٍ مباشرٍ قدر الإمكان.

تجنّب توجيه جهاز الرادار نحو تيارات سائلة متدفقة.

لا تُوجِّه جهاز الرادار مباشرةً نحو الأجسام الصلبة المتساقطة، أو تيارات السوائل الداخلة، أو النفاثات القوية.

تجنّب العوائق الداخلية الكبيرة؛

حيثما أمكن، تجنّب أجهزة التحريك، والعوارض الإنشائية، والسلالم، ولفائف التسخين، والأنابيب الداخلية؛

تأمّل المسافة من جدار الوعاء.

يجب عدم تركيب الرادار على مسافة قريبة من الجدار دون مبرر. وتُحدد المسافة المناسبة بناءً على زاوية شعاع الشعاع ووثائق تركيب الجهاز.

— تحقق من أبعاد الفوهة.

— قد تؤدي الفوهة الطويلة أو الضيقة إلى توليد انعكاسات إضافية، ويجب أن تتوافق مع الأبعاد المسموح بها للنموذج المختار.

— 9. هل يجب أن يُوجَّه علامة توجيه الشفة دائمًا نحو جدار الخزان؟

لا، فبعض أجهزة إرسال الرادار تحتوي على علامة توجيهية على الحافة أو الهوائي أو الغلاف، وقد يحدد المصنع اتجاهًا محددًا بالنسبة لجدار السفينة أو فتحة التجاوز أو البنية الداخلية. لكن هذا الشرط يعتمد على تصميم الهوائي، ونوع استقطابه، والطراز المحدد للجهاز.

إذا احتوى المنتج على علامة توجيهية، فيجب تركيبه وفقًا لتعليمات ذلك النموذج المحدد بدقة، بدلًا من تطبيق قاعدة عامة واحدة هي «الاتجاه نحو الجدار» على جميع أجهزة إرسال الرادار.

10. كيف يُمكن تركيب جهاز رادار في أسطوانة تخزين صلبة ذات سعة كبيرة؟

عادةً ما لا يكون سطح المواد الصلبة الكتلية أفقيًا، بل قد يشكل زاوية استقرار. كما يمكن لعملية التعبئة أن تؤدي إلى تكوُّن غبار، بالإضافة إلى تغير مستمر في هندسة المادة. ولذلك، لا ينبغي عادةً تركيب جهاز الرادار مباشرةً فوق تيار التعبئة.

ويجب أن يوفر نقطة التركيب مستوىً متوسطًا ممثلاً، وصدًّا راداريًّا مستقرًا.في الأبراج التخزينية العالية أو المعقدة، يمكن استخدام شفة قابلة للتعديل أو نظام آخر لتعديل الزاوية، شريطة أن يُستند هذا النظام إلى المنتج، وذلك لتوجيه شعاع الرادار بشكل أكثر فعالية نحو سطح الهدف.

إذا تأثر الصدى بالجدران أو حزم الدعم أو الهياكل الثابتة الأخرى ، فيمكن استخدام قمع الصدى الخاطئ لتقليل تأثير تلك الانعكاسات الثابتة.

11. ما هو قمع الصدى الزائف ؟ يمكن أن تنعكس إشارات الرادار

ليس فقط من خلال سطح المادة ولكن أيضًا عن طريق جدران السفن والحزم الهيكلية والأنابيب والمشاكسات وغيرها من الأشياء الداخلية. قد يتم تفسير هذه الانعكاسات الثابتة بشكل غير صحيح على أنها مستوى العملية.

أجهزة الإرسال الحديثة على مستوى الرادار غالبا ما توفر قمع الصدى الكاذب أو وظائف التعلم الصدى. تحدد هذه الوظائف وتخزن المواضع أو خصائص الانعكاسات الثابتة بحيث يمكن للأداة تقليل تأثيرها على قياس المستوى الفعلي.

تُعدّ ميزة إلغاء الصدى الكاذب أداةً تستخدم أثناء التشغيل التجريبي، وليست بديلاً عن التركيب السليم. يجب معالجة العقبات التي يمكن تجنبها من خلال تحسين وضع المستشعرات أولاً في تصميم التركيب.

12. كيف يتم تركيب رادار الموجة الموجهة؟

يستخدم رادار الموجة الموجهة قضيب أو كابل لتوجيه نبض الرادار ، لذلك تختلف متطلبات تركيبه عن تلك الخاصة بالرادار غير الملامس. يجب أن يظل القضيب أو الكابل عموديًا بشكل عام ويجب ألا يتصل بجدار الوعاء أو الهياكل الداخلية أو المحرضين.

قد تتطلب مجسات الكابلات المرنة المستخدمة في الأوعية العميقة أخذ حركة المجس وتثبيته على قاع الوعاء في الاعتبار. ويمكن لاستخدام رادار الموجات الموجهة أن يكون مفيدًا في ظروف معيّنة من الرغوة، أو في وسائط ذات ثوابت عازلية منخفضة، أو في قياسات الواجهات، أو في تطبيقات التجاوز؛ إلا أن المنتجات اللصقة أو تلك التي تتكوّن طبقات ترسبية قد تتراكم على سطح المجس، مما يزيد من متطلبات الصيانة.

١٣. ما المعلومات التي يجب التحقق منها قبل اختيار جهاز الرادار وتركيبه؟

– الأسئلة الشائعة؛

– السؤال الأول: هل يكون رادار التردد العالي دائمًا أفضل من رادار التردد المنخفض؟

A1: لا. يُوفِّر رادار التردد العالي مزاياً مثل شعاع ضيق وهوائي مدمج، لكن بعض تطبيقات الرغوة أو التكثيف الكثيف أو الوسائط الخاصة قد تكون أكثر ملاءمة لرادار التردد المنخفض أو رادار الموجات الموجهة.

Q2: لماذا 80GHz رادار مناسب للدبابات الصغيرة ؟

A2: بنفس حجم الهوائي أو ما شابه ،80GHz يمكن للرادار عادة توليد شعاع أضيق واستخدام هوائي أصغر ، مما يجعل من الأسهل تجنب جدران الوعاء والهياكل الداخلية.

Q3: هل يمتلك رادار ذي ترددٍ أقل طولًا موجيًا أطولًا أم أقصرًا؟

A3: طول موجي أطول. فالتناقص في التردد يؤدي إلى زيادة طول الموجة، في حين يؤدي ارتفاع التردد إلى تقليل طول الموجة.

Q4: هل يتأثر قياس مستوى الرادار بدرجة الحرارة والضغط؟

A4: لا يتأثر انتشار الموجات الكهرومغناطيسية بشكل ملحوظ بالتغيرات المعتادة في درجة حرارة الهواء أو ضغطه، لكن الجهاز نفسه يمتلك حدودًا محددة من الناحية الميكانيكية، وحدودًا محددة للضغط في مناطق الختم العملياتي، وحدودًا محددة لدرجة حرارة وضغط المكونات الإلكترونية.

Q5: هل يمكن للرادار قياس وسائط ذات ثوابت عازلية منخفضة؟

A5: نعم، لكن انخفاض ثابت العزل الكهربائي يعني عمومًا ضعف قوة الانعكاس. ويجب اختيار رادار ذي نطاق ديناميكي وميّزات ترددية وتصميم هوائي مناسبين وفقًا لطبيعة وسط العملية.

Q6: هل يمكن تركيب جهاز إرسال مستوى راداري على فوهة طويلة؟

A6: نعم، لكن يجب أن يتوافق قطر وطول الفوهة مع متطلبات النموذج المحدد.قد يؤدي استخدام فوهة طويلة جدًا أو ضيقة جدًا إلى ظهور انعكاسات إضافية، أو تقليل الإشارة العكسية المفيدة، أو توليد تداخلات.

Q7: ينبغي أن 80GHz رادار دائما أن تستخدم للصوامع الصلبة السائبة ؟

A7: 80GHz رادار الشعاع الضيق مناسب جدًا للعديد من الصوامع المعقدة ، ولكن لا يزال من الضروري النظر في الغبار ونطاق القياس وشكل سطح المادة والانعكاسية أثناء الاختيار.

Q8: ما هو الفرق الرئيسي بين رادار الموجات الموجهة ورادار غير تلامسي؟

A8: يُرسِل رادار غير تلامسي موجات كهرومغناطيسية عبر الفضاء الحر نحو سطح المادة، في حين يوجِّه رادار الموجة الموجهة الإشارة على طول قضيب أو كابل، مما يستدعي استخدام هيكل قياس تلامسي.

: الخلاصة

تتيح أجهزة إرسال مستوى الرادار إجراء قياسات دون تلامس، وتوفر توافقًا واسعًا مع مختلف أنواع الوسائط، بالإضافة إلى إمكانية تشغيلها في بيئة مفرغة، وفي ظروفٍ صعبة من حيث درجة الحرارة أو الضغط، فضلًا عن سهولة دمجها في أنظمة الأتمتة الصناعية. ومع ذلك، فإن الأداء الفعلي لهذه الأجهزة لا يزال يتأثر بعدة عوامل، منها قابلية الوسط للانعكاس، ووجود رغوة، وظاهرة تكثف، وتراكم إشارة الهوائي، وشكل الوعاء، وموقع المستشعر.

تتميّز رادارات التردد العالي بطول موجي أقصر، وشرارة أضيق، ومضخة هوائي أصغر حجمًا، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للقوارب الصغيرة، والخزانات المعقدة، وأبراج نقل المواد الصلبة. ولا تزال رادارات التردد المنخفض تُعدّ ذات قيمة في تطبيقات محددة تشمل الرغوة، والتكثّف، والوسائط الخاصة، في حين تُستخدم رادارات الموجات الموجهة في تطبيقات معينة تشمل الوسائط ذات ثابت عازل منخفض، وواجهات انتقال، وعمليات التعامل مع الرغوة، بالإضافة إلى غرف التحوّل.

METRAVON يجب اختيار منتجات قياس باستخدام رادار وفقًا لطبيعة وسط العملية، ونطاق القياس، وخصائصها العازلة، ودرجة حرارة العملية، وضغطها، إضافةً إلى وجود رغوة أو بخار أو غبار، وشكل الوعاء، ونوع واجهة الإخراج المطلوبة. ويُعدّ الاختيار الدقيق وتركيب هذه المنتجات بشكل صحيح أمرًا أكثر أهميةً في العادة مقارنةً باختيار أعلى تردد راداري متاح فقط.