¿Qué hace una antena transmisora de nivel de radar? Tipos de antena, ángulo de haz y guía de selección

1. ¿Qué hace realmente una antena transmisora de nivel por radar?

La antena es uno de los componentes más críticos de un transmisor de nivel por radar.

Realiza principalmente dos funciones:

Primero,transmite ondas electromagnéticas hacia la superficie del medio medido.

En segundo lugar,recibe los ecos del radar reflejados desde la superficie del medio medido.

Luego, la unidad electrónica del instrumento calcula la distancia entre la antena y la superficie del medio basándose en la relación entre la señal transmitida y la señal devuelta.

Por lo tanto, la antena no es simplemente un accesorio externo o un componente de la carcasa.

La estructura de la antena afecta directamente:

• Ángulo de haz;

• Ganancia de señal;

• Fuerza del eco;

• Resistencia a la interferencia;

• Dimensiones de instalación;

• Resistencia a la temperatura;

• Resistencia a la corrosión;

• Resistencia a la condensación y acumulación de materiales.

2. ¿Por qué una antena más grande suele producir un haz más estrecho?

Para instrumentos de radar que operan dentro de la misma banda de frecuencia, una apertura efectiva de antena mayor generalmente produce un haz más estrecho y una directividad más alta.

Tomando como ejemplo un producto de radar de 26 GHz de Endress+Hauser:

Una antena de 40 mm corresponde a un ángulo de haz de aproximadamente 23°, mientras que una antena de 100 mm puede reducir el ángulo de haz a aproximadamente 8°. A una distancia de medición de 20 m, la diferencia en el diámetro de cobertura del haz entre los dos tamaños de antena es significativa.

Los datos técnicos de Siemens para el radar industrial de 25 GHz muestran una relación similar. Dependiendo del tamaño de la bocina, los ángulos de haz típicos son aproximadamente 19°, 15°, 10° y 8°, y el fabricante recomienda utilizar una antena más grande cuando las condiciones de instalación lo permitan.

Esto significa que en tanques altos y estrechos:

Cuanto más estrecha sea la viga, más fácil será evitar las paredes del tanque y las estructuras internas.

3. ¿Cuál es el ángulo de haz de un transmisor de nivel por radar?

El ángulo del haz no significa que no haya absolutamente ninguna energía de radar fuera del ángulo especificado.

Los instrumentos de radar industriales normalmente definen el ángulo del haz de acuerdo con un límite de reducción de energía específico dentro del haz principal, como el ancho del haz de 3 dB.

Incluso fuera del ángulo de haz nominal, es posible que todavía haya algo de energía del radar.

Por lo tanto, un objeto reflectante muy fuerte ubicado cerca del borde del haz principal aún puede generar un eco falso.

Esta es la razón por la que la instalación de radar no debe evaluarse basándose únicamente en una única línea central.

Se debe considerar toda el área de cobertura del haz.

4. ¿Qué tipos de antenas de radar se utilizan habitualmente?

4.1 Antena de bocina

Las antenas de bocina son una de las estructuras más comunes utilizadas en los transmisores de nivel de radar industriales tradicionales.

Las características típicas incluyen:

• Buena directividad;

• Tecnología de aplicación industrial madura;

• Disponibilidad en diferentes tamaños de apertura;

• Idoneidad para la mayoría de los tanques de almacenamiento;

• Idoneidad para líquidos y algunas aplicaciones de nivel de sólidos a granel.

A la misma frecuencia de funcionamiento, una mayor apertura de la bocina generalmente proporciona una mejor capacidad de enfoque.

Las aplicaciones típicas incluyen:

• Tanques de almacenamiento de productos químicos;

• Tanques de agua;

• Tanques de petróleo;

• Recipientes de proceso;

• Silos generales de material a granel.

4.2 Antena Parabólica

Las principales ventajas de una antena parabólica son su alta ganancia y su fuerte capacidad de enfoque.

En los transmisores de nivel de radar tradicionales de 26 GHz para sólidos a granel, las grandes antenas parabólicas pueden producir haces muy estrechos. Por tanto, son especialmente adecuados para:

• Silos altos;

• Silos estrechos;

• Buques con muchas estructuras internas;

• Sólidos a granel de baja reflectividad;

• Aplicaciones con mucho polvo.

Según los datos técnicos de Endress+Hauser para un radar de sólidos a granel de 26 GHz, las antenas parabólicas DN200 y DN250 pueden proporcionar ángulos de haz típicos de aproximadamente 4° y 3,5 %, respectivamente.

4.3 Antena de varilla

Las antenas de varilla tienen una estructura relativamente compacta y son adecuadas para conexiones de proceso más pequeñas.

Diferentes productos pueden utilizar PTFE, PEEK u otros materiales resistentes a la corrosión.

Se utilizan comúnmente para:

• Pequeñas conexiones de proceso;

• Medios corrosivos;

• Tanques de almacenamiento con espacio de instalación limitado.

Sin embargo, la resistencia a la temperatura, la resistencia a la presión y la compatibilidad química reales deben evaluarse de acuerdo con el material de antena específico.

No se debe dar por sentado que todas las antenas de varilla sean adecuadas para todos los medios corrosivos.

4.4 Antena plana

Algunas antenas planas están diseñadas específicamente para aplicaciones de tubo tranquilizador.

Por ejemplo, ciertos productos de radar utilizan una antena plana especialmente diseñada junto con un tubo tranquilizador de metal para mejorar la propagación de la señal y la estabilidad de la medición del eco dentro del tubo.

Los requisitos de instalación para este tipo de estructuras no son completamente idénticos a los de los radares de espacio libre convencionales.

Lente 4.5 o antena integrada

Con la creciente adopción de radares de alta frecuencia, particularmente radares de 80 GHz, las antenas de lentes compactas y las estructuras de antena integradas se han vuelto cada vez más comunes.

Las frecuencias más altas permiten lograr haces más estrechos con dimensiones de antena más pequeñas, lo que hace que estas antenas sean particularmente adecuadas para:

• Embarcaciones pequeñas;

• Pequeñas conexiones de proceso;

• Tanques con estructuras internas complejas;

• Instalaciones cercanas a la pared del tanque.

5. ¿Por qué es especialmente importante la selección de la antena para la medición del nivel de sólidos a granel?

Los sólidos a granel se comportan de manera diferente a los líquidos.

La superficie de un líquido suele ser relativamente plana, mientras que los sólidos a granel pueden formarse:

• Ángulos de reposo;

• Picos materiales;

• Depresiones materiales;

• Superficies irregulares.

Por ejemplo, cuando el material se llena desde arriba, puede formar una pila cónica.

Cuando el material se descarga desde el fondo, se puede formar una depresión en forma de embudo.

En estas situaciones, las ondas de radar que inciden en diferentes áreas de la superficie del material pueden producir reflejos diferentes.

Por lo tanto, las aplicaciones de silos de sólidos a granel requieren considerar no solo la distancia de medición sino también:

• Hacia dónde se dirige el haz del radar;

• La dirección de la superficie del material inclinada;

• Si el eco reflejado puede regresar a la antena.

Para silos altos, una viga más estrecha generalmente hace que sea más fácil evitar las paredes del silo y concentrar la medición en el área objetivo.

6. ¿Debería la antena extenderse más allá de la boquilla de montaje?

Para algunos productos tradicionales de radar con antena y bocina, los fabricantes exigen que la bocina de la antena se extienda más allá de la boquilla de montaje o que la boquilla permanezca dentro de las dimensiones especificadas. De lo contrario, la propia boquilla de montaje puede generar fuertes ecos falsos.

Sin embargo, este requisito no puede generalizarse a todos los instrumentos de radar.

Diferentes tipos de radar, incluyendo:

• radar de 26 GHz;

• radar de 80 GHz;

• Antenas de lentes;

• Antenas de varilla;

pueden tener diferentes longitudes permitidas de boquillas de montaje.

Por lo tanto, durante la adquisición del proyecto, se deben proporcionar al proveedor los dos parámetros siguientes:

Diámetro de conexión a proceso + altura de boquilla de montaje.

7. ¿Las gotas de agua en la antena del radar afectarán la medición?

El efecto depende de la gravedad de la condensación.

El radar en sí no es particularmente sensible a los cambios en la humedad ambiental. Sin embargo, si una gran cantidad de condensación cubre directamente la superficie de la antena, puede:

• Atenuar la señal del radar;

• Cambiar las características de radiación de la antena;

• Genera ecos de campo cercano adicionales.

La acumulación intensa de medios altamente viscosos puede crear problemas similares.

Por lo tanto, cuando se espera una severa condensación, cristalización o acumulación de material, se deben considerar los siguientes factores durante la selección del modelo:

• Estructura de la superficie de la antena;

• Material de antena;

• Si se puede utilizar un sistema de purga de aire;

• Ángulo de instalación;

• Si se requiere una estructura de aislamiento.

8. ¿Cómo se debe seleccionar una antena de radar?

Como mínimo, se debe proporcionar la siguiente información sobre las condiciones de funcionamiento:

FAQ

P1: ¿Siempre es mejor una antena transmisora de nivel de radar más grande?

A:Dentro de la misma banda de frecuencia, una antena más grande generalmente puede proporcionar un haz más estrecho y una ganancia mayor. Sin embargo, también se deben considerar el espacio de instalación, las dimensiones de la conexión al proceso y las condiciones de operación.

P2: ¿Qué es mejor, una antena de bocina o una antena parabólica?

A:Ninguno de los dos es universalmente mejor. Las antenas de bocina se usan comúnmente para tanques de almacenamiento convencionales, mientras que las antenas parabólicas pueden ser más adecuadas para silos grandes o altos y aplicaciones que requieren un haz más estrecho.

P3: ¿Por qué los transmisores de radar de 26 GHz suelen utilizar antenas relativamente grandes?

A:En condiciones similares, aumentar la apertura efectiva de la antena puede reducir aún más el ángulo del haz y mejorar la capacidad de enfoque.

P4: ¿Puede una antena de radar entrar en contacto con el líquido?

A:Normalmente, un radar sin contacto en el espacio libre no necesita entrar en contacto con el medio medido durante el funcionamiento. La inmersión continua de la antena no se considera una condición operativa normal para la mayoría de los instrumentos de radar sin contacto convencionales. Se debe comprobar la documentación específica del modelo.

P5: ¿El polvo en la antena del radar provocará mediciones inexactas?

A:Es posible que una ligera capa de polvo no afecte inmediatamente la medición, pero una acumulación intensa de polvo puede debilitar el eco efectivo. Por lo tanto, las aplicaciones que involucran mucho polvo deben considerar la purga de aire y la inspección periódica.

P6: ¿Qué tipo de antena es adecuada para una conexión de proceso pequeña?

A:A menudo se pueden considerar antenas de varilla compactas, antenas de lentes o diseños de radar de alta frecuencia. La selección final aún debe basarse en las dimensiones de la boquilla, el rango de medición y las condiciones operativas reales.

P7: ¿Siempre es mejor un ángulo de haz más pequeño?

A:Los haces estrechos ofrecen claras ventajas en embarcaciones complejas y confinadas, pero la selección del radar también debe considerar la reflectividad media, el rango de medición y la estructura de instalación.

P8: ¿Qué información necesita METRAVON para confirmar la antena de radar correcta?

A:Es mejor proporcionar dibujos del tanque o fotografías de la instalación en campo junto con el tamaño de la conexión del proceso, el rango de medición, las estructuras internas y los parámetros del medio en lugar de proporcionar solo la altura del tanque.

Conclusión

La antena de un transmisor de nivel por radar determina mucho más que la apariencia externa del instrumento. Afecta directamente a la directividad de las ondas de radar, la relación señal-ruido y la capacidad del instrumento para identificar el objetivo correcto en tanques complejos.

La lógica de selección de antena es diferente para tanques de almacenamiento de líquidos comunes, medios corrosivos, silos con alto contenido de polvo y recipientes estrechos.

Al seleccionar un transmisor de nivel de radar, METRAVON recomienda evaluar la frecuencia operativa, el tipo de antena, el ángulo del haz y la estructura de instalación como un sistema integrado en lugar de comparar solo el rango máximo de medición y la precisión nominal.

Recursos relacionados

Medidores de nivel por radar · Medición de nivel

Autor: Arvin · Fuente: METRAVON Instruments