مقياس المستوى بالرادار FMCW: المزايا والتركيب واختيار الهوائي

أولاً: ما هو جهاز قياس مستوى باستخدام رادار من نوع FMCW؟

يُعرف جهاز قياس مستوى باستخدام رادار موجة مستمرة مُعدَّل ترددًا باسم «جهاز قياس مستوى بـ FMCW» (

). يعتمد مبدأ عمله الأساسي على تغيير تردد إرسال الرادار بشكل مستمر ضمن نطاق تردد معين، ثم استقبال الإشارة المنعكسة من سطح الوسط المرجّح.يُحلّل الجهاز فرق التردد بين الإشارة المرسلة وإشارة الانعكاس لحساب المسافة من رادار إلى سطح الوسط، ثم يحوّل هذه المسافة إلى مستوى السائل أو مستوى المادة.

تستخدم بعض أجهزة رادار FMCW ذات تردد 24 جيجاهرتز نطاق تردد مسح خطي يبلغ حوالي 1 جيجاهرتز، وتعمل بإجراء مسح دوري عبر الهوائي. تختلف ترددات التشغيل ونطاقات التردد المسحية بين الطرازات المختلفة؛ وينبغي تحديد المعلمات الفعلية بناءً على ورقة بيانات المنتج الخاصة بكل طراز.

II. ما هي خصائص أجهزة قياس المستوى بالرادار من نوع FMCW؟

1. قياس باستخدام مسح ترددي مستمر

يُقاس مسافة رادار FMCW باستخدام عملية تصفية ترددي خطية مستمرة.

: على عكس الأنظمة التي تعتمد فقط على إشارة ذات تردد ثابت، يُحدد رادار الموجة المستمرة ذات التعديل الترددي موقع الهدف بناءً على فرق التردد بين الإشارة المرسلة والصدى المُسترد، مما يجعله مناسبًا لمراقبة مستمرة لمستوى السوائل أو مستويات المواد.

2.مناسب لاستخدامه مع مواد صلبة متنوعة: يمكن استخدام أجهزة قياس المستوى بالرادار من طراز

FMCW في قياس مختلف المواد الصلبة الكتلية والمواد الخام الصناعية، ومن بينها:

• الفحم؛

• الأسمنت؛

• الحبوب؛

• الألومنا؛

• الحجر الجيري؛

• المواد الخام الكيميائية؛

في قطاعات مثل الإسمنت، والكيميائيات، وحماية البيئة، وتصنيع الطاقة، ومعالجة الأغذية، يمكن استخدام القياس بالرادار لمراقبة المستوى المستمر في الخزائن وبراميل التخزين؛

3.القياس غير الاتصالي: يُستخدم رادار الفضاء الحر (

) لقياس المسافة إلى سطح المادة باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية، ولا يتطلب عادةً أن تُلامس مكونات القياس مباشرةً الوسط. أما رادار

فيُستخدم مع المساحيق أو المواد الحبيبية أو بعض الوسائط التآكليّة، حيث يُسهم في تقليل مشكلات التآكل والصيانة الناتجة عن الاتصال المباشر بين مكونات القياس الميكانيكية والوسط.

– III. المزايا الرئيسية لأدوات قياس مستوى الرادار من نوع FMCW؛

– يعتمد نطاق تطبيق أدوات قياس مستوى الرادار من نوع FMCW على تردد الرادار، ونوع الهوائي، وقدرة معالجة الإشارة، وظروف التشغيل الفعلية؛

– في ظل ظروف تشغيل مناسبة، تشمل الميزات الرئيسية ما يلي:

• – قياس مستمر دون اتصال؛

• – مناسب لسوائل أو مواد صلبة؛

• مناسب لقياس المستوى على مسافات طويلة نسبيًا؛

• يمكن تهيئة هوائيات مختلفة وفقًا لظروف التشغيل؛

• يمكن استخدامه في البيئات الصناعية التي تتضمن غبارًا أو بخارًا أو وسائط معقدة؛

• مناسب لخزانات التخزين، والخزانات الصناعية، وأوعية العمليات؛

يجب تقييم الأداء الفعلي وفقًا للنموذج المحدد، والوسائط، وظروف التركيب؛

IV. ما هي أنواع الهوائيات المتاحة لجهاز قياس المستوى بالرادار؟يمكن تجهيز أجهزة قياس مستوى الرادار من طراز

بأنواع مختلفة من الهوائيات وفقًا لظروف التطبيق، ومنها:

• – هوائيات من نوع «Horn»؛

• – هوائيات بابلية؛

• – هوائيات مصفوفية؛

• – هوائيات أسطوانية؛

• – هوائيات على شكل حطام؛

• – هوائيات مسطحة؛

• – تصاميم وقائية من التلوث البيئي؛

– أنواع مختلفة من الهوائيات تختلف من حيث زاوية الحزمة، ومقاييس التركيب، ومقاومة التآكل، وقابلية التكيّف مع طبقات المواد، واتصالات العمليات.

لذلك، ينبغي اختيار الهوائي بحيث يتناسب مع وسط التوصيل وظروف التشغيل في الموقع، وليس فقط بناءً على مدى القياس.

V. كيف يُختار نموذج جهاز قياس المستوى بالرادار؟

عند اختيار نموذج جهاز قياس المستوى بالرادار، يجب تقييم بيئة القياس الفعلية بعناية.

يجب التأكد من توفر الشروط التشغيلية التالية:

• ما إذا كانت هناك غازات متطايرة تآكلية موجودة فوق الوسط؛

• هل توجد كميات كبيرة من بخار الماء؟

• ؛ هل توجد كميات كبيرة من الغبار؟

• ؛ هل يُحتمل تبلور الوسط؟

• ؛ هل توجد كمية كبيرة من الفراشة على سطح السائل؟

• ؛ هل يشهد سطح السائل تقلبات كبيرة؟

• ؛ هل المادة المقاسة هي مادة مسحوقية أو مادة حبيبية؟

• ؛ هل يكون السائل قاعديًا بشكل قوي؟

• ؛ هل يمتلك الوسط لزوجة عالية؟

بالإضافة إلى ذلك، يجب التأكد من ما يلي أيضًا:

• أقصى مسافة قياس؛

• درجة حرارة العملية؛

• ؛ ضغط العملية؛

• ؛ اتصال التركيب؛

• ؛ نوع الهوائي؛

؛ نطاق القياس يُعد معلمة واحدة فقط عند اختيار جهاز قياس مستوى باستخدام رادار، ولا ينبغي استخدامه كأساس وحيد لاختيار النموذج؛

؛ VI. ما الذي يجب أخذه بعين الاعتبار عند تركيب جهاز قياس مستوى باستخدام رادار الموجات الموجهة؟

؛ يستخدم رادار الموجات الموجهة عمودًا استشعاريًا أو كابلًا فولاذيًا لتوجيه إشارة الرادار.لذلك، بالإضافة إلى التركيب الكهربائي، يجب أيضًا أخذ الموضع الميكانيكي لعنصر الموجة المُوجَّهة بعين الاعتبار.

1. قطع التغذية الكهربائية قبل استبدال الجهاز

: قبل إزالة جهاز قياس المستوى الأصلي أو قبل إجراء أعمال التوصيل الكهربائي، قطع مصدر التغذية الكهربائية للجهاز وتعامل مع توصيلات الإشارة وفقًا لقواعد السلامة الكهربائية المُطبَّقة في الموقع.

: استعادة التغذية الكهربائية فقط بعد اكتمال عملية التركيب وعملية التوصيل وفحصها.

2. تجنب المداخل والمناطق التي تشهد اضطرابات قوية

لا ينبغي تركيب رادار الموجات المُوجَّهة مباشرةً عند مداخل الماء أو مداخل التغذية، أو في المواقع التي تشهد تقلبات حادة في سطح السائل.

: قد يصطدم السائل أو المادة الداخلة بقضيب الكاشف أو الكابل الفولاذي، مما يؤدي إلى تقلبات في قياسات القياس.

أثناء عملية التركيب، يجب تجنب اتصال عنصر الموجة المُوجَّهة مباشرةً بالهياكل التالية:

• جدران المسبح؛

• جدران الخزان؛

• الدعامات؛

• الأنابيب؛

• الهياكل المعدنية الأخرى؛

3. الحفاظ على مسافة مناسبة حول قضيب المُسح أو الكابل الفولاذي؛

إذا اتصل كابل الموجة المُوجَّهة الفولاذي بجدار معدني، فقد تظهر انعكاسات إضافية، وقد يتطور التآكل الميكانيكي بمرور الوقت.

لذلك، يجب وضع عنصر الموجة المُوجَّهة بشكل صحيح أثناء التركيب، مع الحفاظ على المسافة الضرورية وفقًا لبنية السفينة الفعلية.

يجب تحديد المسافة المحددة للتركيب وفقًا لدليل الجهاز وبنية الموقع الفعلية.

VII. كيف ينبغي التعامل مع عزل الكابلات في نظام رادار الموجة المُوجَّهة الخارجي؟

في البيئات الخارجية أو ذات الرطوبة، يُعدّ نقطة دخول الكابل إحدى المناطق التي تتطلب حماية خاصة.

يجب أخذ النقاط التالية بعين الاعتبار أثناء تركيب الكابلات:

• تُشدّ غمد الكابل بقوة؛

• تُغلق اتصالات القنوات بشكل صحيح؛

• الحفاظ على سلامة مقاومة الماء لحاجز الجهاز؛

• توصيل الكابلات المُحَمَّاة بشكل صحيح؛

• : قم بتوفير حلقة تسرب قبل دخول الكابل إلى الجهاز.

: تُشير حلقة التسرب إلى السماح للكابل بتشكيل انحناء نحو الأسفل قبل دخوله إلى الجهاز.

: يُمكّن هذا من تسرب ماء الأمطار أو تكثيفه من النقطة الأدنى، مما يقلل من خطر انتقال الماء عبر الكابل إلى غلاف الجهاز.

ثامنًا: ما الذي يجب أخذه بعين الاعتبار أثناء اختبار عزل كابلات الإشارة؟

: تتطلب بعض مشاريع التركيب الصناعية إجراء اختبار العزل بعد تركيب كابلات الإشارة.

على سبيل المثال، قد تتطلب مواصفات معينة للمشروع:

• 500 VDC فولطية اختبار ؛ مدة اختبار

• 60 ثانية ؛

• مقاومة العزل ≥ 20 ميغا أوم.

: هذه متطلبات قبول مخصصة لمشاريع معينة، ولا تُعد معايير عامة لجميع مشاريع أجهزة قياس مستوى الرادار.

: قبل إجراء اختبار العزل، تأكد من أن الأجهزة الإلكترونية الخاصة بالجهاز قد تم فصلها عن الدائرة الكهربائية. يجب إجراء الاختبار وفقًا لدليل الجهاز ومواصفات الكهربائية الخاصة بالمشروع، لمنع تأثير جهد الاختبار على الأجهزة الإلكترونية.

IX. كيف يجب توصيل جهاز قياس مستوى بالرادار؟

يمكن أن تستخدم أجهزة قياس مستوى الرادار تكوينات مختلفة لتوفير الطاقة وخرج الإشارة.

قبل إجراء التوصيل الكهربائي، يجب التحقق دائمًا من ما يلي:

• لوحة اسم الجهاز؛

• جهد التزويد المُعيَّن؛

• مصدر طاقة تيار متردد (AC) أو تيار مستمر (DC)؛ تعريفات أطراف

• ؛ قطبية الإشارة في

• ؛ طرف التأريض في

• ؛

: لا تُنفِّذ توصيلات الأسلاك استنادًا فقط إلى الخبرة المكتسبة من استخدام نماذج أجهزة أخرى.

: تُوصي بعض وثائق تركيب أجهزة قياس مستوى الرادار باستخدام كابل زوجي ملتوٍ محمي، ذي مساحة مقطع عرضي للموصلات تتراوح بين 0.5 مم² و2 مم² تقريبًا.

يجب تحديد المواصفات الفعلية للكابل وفقًا لما يلي:

• مصدر تغذية الجهاز؛

• نوع الإشارة؛

• مسافة الكابل؛

• المعايير الكهربائية المُطبَّقة في الموقع.

X.طريقة التوصيل الكهربائي لجهاز قياس المستوى بالرادار (

): يشمل التوصيل الكهربائي في الموقع عادةً الخطوات التالية:

1. فصل مصدر الطاقة؛

2. التحقق من لوحة اسم الجهاز ومتطلبات مصدر الطاقة؛

3. فتح حجرة طرفيات الجهاز؛

4. إدخال الكابل إلى الجهاز عبر غمد الكابل؛

5. توصيل أسلاك الطاقة وأسلاك الإشارة وفقًا لعلامات الطرفيات؛

6. إجراء التحصين والترسيب وفقًا للمعايير الكهربائية.مواصفات الجهاز؛

7. تحقق من التوصيلات الكهربائية واتجاهات التوصيل مرة أخرى؛

8. تُثبّت غمد الكابل؛

9. تحقق من إحكام الختم للحُاوية؛

10. استعادة التيار الكهربائي بعد التأكد من أن كل شيء صحيح.

يجب تنفيذ طول إزالة السلك المحدد، ومواصفات الأداة، وإجراءات تشغيل الطرفية وفقًا للدليل المخصص للنموذج المعني.

XI. لماذا تتطلب أجهزة قياس المستوى بالرادار تجنيبًا وترسيبًا؟

قد تحتوي المواقع الصناعية على محركات، ومحركات التردد المتغير، ومضخات، وكابلات ذات قدرة عالية، وأجهزة كهربائية أخرى يمكن أن تُولِّد تداخلًا كهرومغناطيسيًا.

يُسهم استخدام الكابلات المُحَجَّنة وعملية التأريض بشكل صحيح في تحسين استقرار نقل الإشارة.

يُحدد ما إذا كان ينبغي استخدام تأريض نقطي واحد أو طريقة تأريض أخرى لقشرة الكابل وفقًا لدليل الجهاز ومتطلبات تصميم الكهرباء الخاصة بالمشروع.

قد يؤدي التأريض متعدد النقاط بشكل غير صحيح إلى حدوث حلقات تأريضية؛ لذا لا ينبغي تطبيق طريقة التأريض الشاملة (الواحدة) على كل تركيب.

)؛ XII. ما هو الغرض من المعايير المتعلقة بمقاييس مستوى الرادار؟ (

)؟ تُستخدم المعايير المتعلقة بمقاييس مستوى الرادار بشكل رئيسي لتنظيم تصميم المنتجات، وتصنيعها، واختبارها، وتركيبها، بالإضافة إلى تطبيقاتها في المجال الصناعي.يجب أن تركز مشاريع الهندسة (

) على المتطلبات المتعلقة بـ:

• السلامة الكهربائية؛

• الحماية من الانفجار؛

• حماية البيئة؛

• التركيب؛

• واجهات الإشارة؛

• المواصفات الفنية للمشروع؛

إن الغرض من المعايير ليس مجرد إضافة محتوى إلى وصف المنتج، بل لمساعدة في التحقق مما إذا كان الأداة تُلبّي المتطلبات الفنية والسلامة الخاصة بالمشروع الفعلي؛

XIII.قائمة التحقق لاختيار جهاز قياس المستوى بالرادار

؛ الأسئلة الشائعة:

؛ Q1: ما هو جهاز قياس مستوى السائل بالرادار (FMCW Radar Level Gauge)؟جهاز

: يُغيّر جهاز رادار FMCW تردد الإرسال بشكل مستمر، ثم يُحلّل فرق التردد بين الإشارة المرسلة والإشارة المنعكسة لحساب المسافة، والتي تُحوَّل لاحقًا إلى مستوى السائل أو مستوى المادة.

، Q2: هل تستخدم جميع أجهزة قياس مستوى الرادار من نوع FMCW ترددًا قدره 24 غيغاهرتز؟

: لا، تردد 24 غيغاهرتز هو تردد تشغيل واحد فقط يُستخدم في بعض المنتجات؛ وقد تستخدم أجهزة قياس مستوى الرادار المختلفة ترددات تشغيل وعرض نطاق تصفية مختلفين.يجب التحقق من المعلمات المحددة من ورقة بيانات المنتج المقابلة.

Q3: لماذا يجب تجنّب اتصال الكابل الفولاذي الخاص بجهاز رادار الموجات المُوجَّهة بجدار الخزان؟

: يمكن أن يؤدي الاتصال بين الكابل الفولاذي والهياكل المعدنية إلى ظهور انعكاسات إضافية، كما يمكن أن يُسهم الاحتكاك على المدى الطويل في حدوث تآكل ميكانيكي؛ لذا، ينبغي الحفاظ على مسافة فاصلة مناسبة أثناء التركيب.

Q4: هل يجب أن يستخدم جهاز قياس مستوى بالرادار كابلًا بمساحة مقطع تتراوح بين 0.5–2 مم²؟

ليس بالضرورة؛ يُحدد هذا المدى لمنتجات معيّنة فقط. يجب تحديد المواصفات الفعلية للكابل وفقًا لدليل الجهاز المحدد، ومسافة الكابل، والمعايير الكهربائية المُطبَّقة في الموقع.

Q5: هل يكفي التأكيد على نطاق القياس فقط عند اختيار جهاز قياس مستوى بالرادار؟

لا.يجب أيضًا التأكد من وسط التشغيل، ودرجة الحرارة، والضغط، وحالة الغبار، وحالة البخار، وتأثير التآكل، وعملية التبلور، وحالة الفอง، ودرجة اللزوجة، واتصالات التركيب، وجميع الظروف التشغيلية الأخرى.

Q6: لماذا يجب أن يحتوي كابل جهاز قياس المستوى بالرادار الخارجي على حلقة تسرب؟

: تُقلل حلقة التسرب من خطر انتقال مياه الأمطار أو تكثيفها عبر الكابل إلى مدخل كابل الجهاز، وتساعد في تحسين موثوقية العزل المائي في التثبيتات الخارجية.

خاتمة

: أجهزة قياس مستوى رادارية من نوع FMCW تُقيس المسافة باستخدام إشارات رادارية ذات تردد مُسح خطي، ويمكن استخدامها لمراقبة مستوى الفحم، والأسمنت، والحبوب، والألومنا، والحجر الجيري، والمواد الخام الكيميائية، ووسائط أخرى.

في التطبيقات العملية، تعتمد أداء قياس مستوى الرادار ليس فقط على مدى القياس، بل يرتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بعوامل متعددة، منها خصائص المادة (

)، والغبار، ورذاذ الماء، والصدأ، والتكثيف، والرغوة، ونوع الهوائي، وظروف التركيب.

عند تركيب جهاز الرادار القائم على الموجات الموجهة، ينبغي الانتباه بعناية لضمان وضع قضيب المستشعر أو الكابل الفولاذي بشكل صحيح، وتجنّب احتكاكه بالهياكل المعدنية المحيطة.

: عند التركيب الكهربائي، يجب الانتباه بشكل خاص إلى ما يلي:

مصدر الطاقة، والمحولات، والحماية، والترسيب، وحشوة مدخل الكابلات.

: يجب أن تستند الأبعاد المحددة، ومواصفات الكابلات، ومتغيرات الاختبار، وطرق التوصيل الكهربائي إلى ورقة البيانات، ودليل التركيب، ومواصفات الكهرباء الخاصة بالمشروع بالنسبة إلى جهاز قياس مستوى الرادار المعني.