อัลตราโซนิกหรือเรดาร์: เลือกเทคโนโลยีวัดระดับ

สรุปด้านวิศวกรรม:

อุปกรณ์วัดระดับแบบอัลตราโซนิกและแบบเรดาร์ ใช้ในการวัดระดับแบบไม่สัมผัสกัน แต่อาศัยหลักการทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน: อุปกรณ์แบบอัลตราโซนิกใช้คลื่นเสียงเชิงกล จึงขึ้นอยู่กับเส้นทางของก๊าซระหว่างเซนเซอร์กับพื้นผิวของวัตถุ ส่วนอุปกรณ์แบบเรดาร์ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และไม่จำเป็นต้องใช้อากาศเป็นสื่อกลางในการส่งสัญญาณด้วยเหตุนี้ ระบบเรดาร์โดยทั่วไปจึงรองรับช่วงการทำงานที่กว้างขึ้น ไม่ว่าจะอยู่ในสภาวะสุญญากาศ อุณหภูมิสูง บรรยากาศของไอหรือฝุ่น หรือในสภาพที่ภาชนะมีรูปทรงซับซ้อนก็ตาม อย่างไรก็ตาม ระบบเรดาร์อาจได้รับผลกระทบจากฟองน้ำ การควบแน่นของของเหลว ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ต่ำ หรือการสะสมของสิ่งกีดขวางที่เสาอากาศ

สารบัญ

• ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างระบบอัลตราโซนิกและระบบเรดาร์ –

• การวัดระดับด้วยคลื่นอัลตราโซนิกทำงานอย่างไร?

• การวัดระดับด้วยเรดาร์ทำงานอย่างไร?

• การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ

• อุณหภูมิส่งผลต่อเทคโนโลยีทั้งสองอย่างอย่างไร?

• สภาวะความดันและสภาวะสุญญากาศ

• โฟมส่งผลต่อการวัดอย่างไร?

• เทคโนโลยีแบบใดดีกว่าสำหรับ silo ที่มีฝุ่นสะสม?

• ไอน้ำและการควบแน่น

• มุมของลำแสงและพื้นที่ติดตั้ง

• ช่วงและความแม่นยำ:

• เรดาร์ความถี่ 26 GHz เทียบกับ 80 GHz –

• การประยุกต์ใช้งานในภาคอุตสาหกรรมทั่วไป:

• การบูรณาการ PLC, RTU และ Industrial Gateway

• ตารางการเลือกใช้ทางวิศวกรรม

• FAQ

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างคลื่นอัลตราโซนิกและเรดาร์

การวัดระดับด้วยคลื่นอัลตราโซนิกทำงานอย่างไร?

เซนเซอร์วัดระดับแบบอัลตราโซนิกจะส่งคลื่นเสียงความถี่สูงผ่านช่องว่างของก๊าซเหนือผลิตภัณฑ์ คลื่นเสียงจะสะท้อนจากพื้นผิวของของเหลวหรือของแข็งแล้วกลับมาถึงเครื่องรับ

d = v × t / 2

โดยที่dเป็นระยะทาง,vคือความเร็วของเสียงในก๊าซ และtคือเวลาการส่งสัญญาณแบบไป-กลับ

ประเด็นสำคัญคือ ความเร็วของเสียงไม่ได้คงที่อย่างสมบูรณ์ในทุกสภาวะของสนาม แต่จะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิและองค์ประกอบของก๊าซ ด้วยเหตุนี้ เครื่องมือวัดอัลตราโซนิกสำหรับใช้ในภาคอุตสาหกรรมจึงมักใช้ระบบชดเชยอุณหภูมิ

การวัดระดับด้วยเรดาร์ทำงานอย่างไร?

เครื่องเรดาร์จะส่งสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นไมโครเวฟไปยังพื้นผิวของของเหลวหรือของแข็ง จากนั้นจะวิเคราะห์สัญญาณสะท้อนกลับ

การส่งสัญญาณด้วยคลื่นไมโครเวฟ → การสะท้อนของสัญญาณที่พื้นผิวผลิตภัณฑ์ → การรับสัญญาณสะท้อน → การประมวลผลสัญญาณ → การคำนวณระยะทาง → การแปลงระดับ

สำหรับเรดาร์แบบพัลส์:

d = c × t / 2

สำหรับเรดาร์ FMCW ระยะทางจะคำนวณจากความแตกต่างของความถี่ระหว่างสัญญาณที่ส่งออกไปกับสัญญาณที่กลับมาอย่างล่าช้า

"26 GHz" และ "80 GHz" หมายถึงความถี่ในการทำงาน ส่วน "Pulse" และ "FMCW" หมายถึงวิธีการวัดและวิธีการประมวลผลสัญญาณ

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ

อุณหภูมิส่งผลต่อเทคโนโลยีทั้งสองอย่างอย่างไร?

การวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับความเร็วของเสียงในเส้นทางของก๊าซเนื่องจากความเร็วของเสียงจะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ การชดเชยที่ไม่ถูกต้องอาจก่อให้เกิดข้อผิดพลาดในการคำนวณระยะทางได้

การแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในระบบเรดาร์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของก๊าซตามปกติต่ำกว่ามาก อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เรดาร์เองยังมีขีดจำกัดที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิในกระบวนการ ข้อจำกัดด้านการปิดผนึก และข้อจำกัดด้านระบบอิเล็กทรอนิกส์

สภาวะความดันและสภาวะสุญญากาศ

สภาวะสุญญากาศ

คลื่นอัลตราโซนิกจำเป็นต้องอาศัยสื่อวัสดุ เช่น อากาศหรือก๊าซในสภาวะสุญญากาศในอุดมคติ เสียงจะไม่แพร่กระจายอย่างปกติ อย่างไรก็ตาม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของระบบเรดาร์สามารถแพร่กระจายได้ในสภาวะสุญญากาศ

แรงดัน

สำหรับภาชนะที่มีแรงดัน การออกแบบทางกลของอุปกรณ์มีความสำคัญอย่างยิ่ง โปรดตรวจสอบแรงดันขั้นสูงสุดของกระบวนการ ระดับแรงดันของแฟลนจ์ ชั้นซีล และการอนุมัติที่จำเป็นทั้งหมด

โฟมส่งผลต่อการวัดอย่างไร?

ไม่ถูกต้องหากสันนิษฐานว่าการส่งสัญญาณเรดาร์จะผ่านผ่านโฟมได้เสมอ ในขณะที่การส่งสัญญาณอัลตราโซนิกจะไม่สามารถผ่านได้เสมอ

อัลตราโซนิกและโฟม

โฟมสามารถดูดซับ กระจาย หรือสะท้อนพลังงานเสียงได้ โดยโฟมที่มีความหนาสามารถลดเสียงสะท้อนจากพื้นผิวของของเหลวได้อย่างมีนัยสำคัญ

ระบบเรดาร์และโฟม

ประสิทธิภาพของระบบเรดาร์ขึ้นอยู่กับความหนาของโฟม ปริมาณความชื้น ขนาดของฟอง ความหนาแน่น ความถี่ในการทำงาน และคุณสมบัติไดอิเล็กทริกของของเหลว ในบางกรณี ระบบเรดาร์อาจตรวจจับส่วนบนของโฟมได้ แทนที่จะตรวจจับพื้นผิวของเหลวที่อยู่ด้านล่าง

สำหรับการประยุกต์ใช้โฟมที่มีความหนา ให้กำหนดว่าเป้าหมายการวัดที่ต้องการคือส่วนต่อประสานของของเหลวจริง หรือเป็นพื้นผิวด้านบนของโฟม

เทคโนโลยีแบบใดเหมาะสมกว่าสำหรับไซโลที่มีฝุ่น?

ความเข้มข้นสูงของฝุ่นซีเมนต์, ผงแร่, ฝุ่นถ่านหิน หรือฝุ่นเมล็ดพืช สามารถลดทอนและกระจายพลังงานอัลตราโซนิกได้

ระบบเรดาร์โดยทั่วไปเหมาะสมกว่าสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นหนาแน่น อย่างไรก็ตาม ฝุ่นในระดับสูง การสะสมของสิ่งสกปรกบนเสาอากาศ หรือผลิตภัณฑ์ที่มีค่าไดอิเล็กทริกต่ำ อาจส่งผลให้คุณภาพของสัญญาณสะท้อนจากเรดาร์ลดลงได้

สำหรับไซโลที่บรรจุวัสดุแข็งในปริมาณมากและมีความซับซ้อน บ่อยครั้งควรพิจารณาใช้ระบบเรดาร์ลำแสงแคบความถี่ 80 GHz ก่อนการตัดสินใจ

ก๊าซไอน้ำและการควบแน่น

เตาที่มีอุณหภูมิสูงสามารถก่อให้เกิดไอน้ำ ความแตกต่างของอุณหภูมิ ความชื้นสูง และการควบแน่นได้สภาวะเหล่านี้สามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความเร็วของเสียงอัลตราโซนิกและกระบวนการส่งผ่านพลังงานเสียง ด้วยเหตุนี้ รุ่น

ของเครื่องเรดาร์จึงมักถูกเลือกใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีไอน้ำในปริมาณสูง อย่างไรก็ตาม การควบแน่นอย่างรุนแรงบนเสาอากาศของเครื่องเรดาร์อาจส่งผลให้คุณภาพของเสียงสะท้อนลดลง หรือก่อให้เกิดเสียงสะท้อนที่ผิดพลาดได้

ทำไมมุมลำแสงจึงมีความสำคัญ?

ทั้งระบบอัลตราโซนิกและระบบเรดาร์ไม่ใช่เส้นที่มีความหนาเป็นศูนย์ แต่ทั้งสองระบบจะสร้างลำแสงหรือรูปทรงกรวยสำหรับการวัดผนังถัง คาน บันได อุปกรณ์สั่น ขดลวด และท่อเติมสื่อภายในคานดังกล่าว อาจก่อให้เกิดการสะท้อนแสงที่ไม่พึงประสงค์

ข้อได้เปรียบหลักประการหนึ่งของเรดาร์ความถี่ 80 GHz คือความสามารถในการสร้างลำแสงที่แคบได้เมื่อใช้การออกแบบเสาอากาศที่เหมาะสม ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับถังที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก เครื่องปฏิกรณ์ ไซโลที่มีความแคบ หรือตำแหน่งติดตั้งที่อยู่ใกล้กับผนังถัง

ควรเปรียบเทียบระยะการตรวจวัดและความแม่นยำอย่างไร?

อย่าถือว่าค่าคงที่ เช่น "ultrasonic 50 m" หรือ "radar 70 m" เป็นขีดจำกัดอุตสาหกรรมทั่วไป ระยะการส่งสัญญาณจริงขึ้นอยู่กับรุ่นเฉพาะและสภาวะกระบวนการ

ระยะการส่งสัญญาณด้วยคลื่นอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับกำลังเสียง ความถี่ อุณหภูมิ ฝุ่น ไอ ขนาดพื้นที่เป้าหมาย และมุมพื้นผิว

ระยะการส่งสัญญาณด้วยเรดาร์ขึ้นอยู่กับความถี่ในการทำงาน ค่ากำลังของเสาอากาศ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก รูปทรงพื้นผิวของวัสดุแข็ง ฝุ่น การประมวลผลสัญญาณ และโครงสร้างการติดตั้ง

คำถามทางวิศวกรรมที่ถูกต้องคือ:ช่วงการใช้งานที่มีประสิทธิภาพของโมเดลเฉพาะนี้ภายใต้สภาวะสื่อและกระบวนการจริงของฉันคือเท่าใด?

ระบบเรดาร์มีความแม่นยำมากกว่าเครื่องมืออัลตราโซนิกเสมอหรือไม่?

ประสิทธิภาพสูงFMCWเรดาร์คลื่นมิลลิเมตรสามารถให้ความละเอียดสูงและมีความแม่นยำในระดับมิลลิเมตรได้ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่เรดาร์ทุกชนิดที่มีความแม่นยำมากกว่าเครื่องมือวัดคลื่นอัลตราโซนิกทุกชนิด

สำหรับถังน้ำแบบง่าย การวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสามารถตอบสนองความแม่นยำที่กำหนดได้อย่างครบถ้วน ส่วนเรดาร์มักให้ข้อได้เปรียบมากกว่าในกรณีของถังที่ต้องการความแม่นยำสูง ถังเก็บวัสดุที่มีโครงสร้างซับซ้อน หรือการควบคุมกระบวนการที่มีข้อกำหนดสูง

– เรดาร์ความถี่ 26 GHz เทียบกับเรดาร์ความถี่ 80 GHz;

ความแตกต่างในการติดตั้ง

การติดตั้งด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

• จงกำหนดทิศทางของเซนเซอร์ให้เป็นมุมฉากโดยประมาณพื้นผิวของผลิตภัณฑ์

• หลีกเลี่ยงการให้กระแสของของเหลวเข้าสู่บริเวณดังกล่าว

• หลีกเลี่ยงผนังและโครงสร้างภายในของระบบ

• พิจารณาการชดเชยอุณหภูมิ

• รักษาส่วนผิวของทรานส์ดิวเซอร์ให้สะอาดอยู่เสมอ

• หลีกเลี่ยงบริเวณที่มีไอน้ำในปริมาณมากและบริเวณที่มีการไหลของก๊าซอย่างรุนแรง

การติดตั้งเรดาร์

• หลีกเลี่ยงการจัดวางให้ตรงกับกระแสของของเหลวโดยตรง

• ใช้มุมลำแสงเพื่อหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับผนังหรือโครงสร้างภายใน

• ป้องกันการปนเปื้อนของเสาอากาศและการเกิดน้ำคั่งในระบบ

• ตรวจสอบรูปทรงเรขาคณิตของหัวฉีด

• กำหนดค่าการสอบเทียบในสภาวะว่างและสภาวะเต็มอย่างถูกต้อง

• ดำเนินการสร้างแผนที่เสียงสะท้อนเทียม (false-echo mapping) เมื่อจำเป็น

: การประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมทั่วไป

: 1ถังเก็บน้ำแบบง่ายและสระน้ำแบบเปิด –

ทั้งระบบอัลตราโซนิกและระบบเรดาร์สามารถเลือกใช้ได้ ขึ้นอยู่กับงบประมาณ ความแม่นยำที่ต้องการ และอินเทอร์เฟซการสื่อสาร

2. ถังเก็บปูนซีเมนต์, ผงแร่ และถ่านหิน:

เครื่องเรดาร์มักถูกเลือกใช้สำหรับสถานการณ์ที่มีฝุ่นหนัก, ระยะการตรวจวัดไกล, พื้นผิวของวัสดุแข็งที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ หรือโครงสร้างถังเก็บที่มีความซับซ้อน

3. ถังเก็บสารเคมีและเครื่องปฏิกรณ์:

เครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ → 4–20 mA/HART → PLC / DCS

4. ถังที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก

ควรพิจารณาใช้เรดาร์ลำแสงแคบ (80 GHz) หรือเรดาร์คลื่นนำทาง ในกรณีที่ระยะห่างจากผนังมีข้อจำกัด

5. การตรวจสอบระยะไกลสำหรับไซโลหลายแห่ง

เครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ → RS485 Modbus RTU → RTU / Industrial Gateway → 4G / Ethernet → SCADA / IoT

การบูรณาการ PLC, RTU และ Industrial Gateway

4–20 mA

ตัวส่งสัญญาณระดับ → 4–20 mA → PLC AI / DCS

4–20 mA/HART

เครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ → 4–20 mA/HART → ระบบ PLC / DCS / HART –

(RS485 Modbus RTU)

อุปกรณ์ระดับสูง → RS485 Modbus RTU → PLC / RTU / Industrial Gateway

เรดาร์ →RS485→ Gateway →4G/ Ethernet →MQTT / HTTP → SCADA/ ซับเซอร์เวอร์สำหรับลูกค้า

ตารางการคัดเลือกทางวิศวกรรม

ควรให้ข้อมูลอะไรก่อนการเลือกใช้?

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

คำถามที่ 1: วิธีการวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกหรือด้วยเรดาร์ ซึ่งมีความแม่นยำกว่า?

เรดาร์ประสิทธิภาพสูงสามารถให้ความละเอียดที่สูงกว่าได้ แต่ความแม่นยำจริงควรเปรียบเทียบกันตามแต่ละรุ่น

คำถามที่ 2: สามารถใช้การวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในสภาวะสุญญากาศได้หรือไม่?

โดยทั่วไปแล้วไม่สามารถใช้ได้คลื่นอัลตราโซนิกจำเป็นต้องอาศัยก๊าซหรือวัสดุอื่นเป็นสื่อกลาง ในขณะที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของเรดาร์สามารถแพร่กระจายได้ในสภาวะสุญญากาศ

Q3: เรดาร์จะไม่ได้รับผลกระทบจากโฟมอย่างสมบูรณ์หรือไม่?

ไม่ โฟมที่มีความหนาหรือเปียกสามารถลดทอนหรือสะท้อนสัญญาณเรดาร์ได้ ในบางกรณี เรดาร์จะวัดพื้นผิวของโฟม

Q4: ทำไมคลื่นอัลตราโซนิกจึงไม่เหมาะสมสำหรับไซโลที่มีฝุ่นมาก?

ฝุ่นที่ลอยอยู่ในอากาศในปริมาณสูงสามารถดูดซับและกระจายพลังงานเสียง ซึ่งส่งผลให้สัญญาณสะท้อนที่สามารถใช้งานได้น้อยลง

Q5: สามารถใช้เรดาร์ในสภาวะสุญญากาศหรือสภาวะความดันสูงได้หรือไม่?

สัญญาณเรดาร์สามารถแพร่กระจายได้ในสภาวะสุญญากาศ แต่ค่าความดันทางกลของเครื่องมือ ระบบซีล และการเชื่อมต่อกระบวนการจะต้องสอดคล้องกับภาชนะที่ใช้งาน

Q6: การวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกจำเป็นต้องมีการชดเชยอุณหภูมิหรือไม่?

โดยทั่วไปจำเป็น เพราะความเร็วของเสียงจะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

Q7: ทำไมเรดาร์ความถี่ 80 GHz จึงเหมาะสมสำหรับถังขนาดเล็ก?

ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าช่วยให้สามารถออกแบบเสาอากาศแบบลำแสงแคบได้ ซึ่งช่วยลดการสะท้อนแสงจากผนังเรือที่อยู่ใกล้เคียง

Q8: สำหรับสระน้ำแบบง่ายแล้ว จำเป็นต้องใช้เรดาร์เสมอหรือไม่?

ไม่จำเป็น หากกระบวนการเป็นไปอย่างง่าย และไม่มีไอน้ำ ฟองน้ำ หรือความต่างของอุณหภูมิที่รุนแรง การวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสามารถเป็นทางเลือกที่มีความคุ้มค่าทางด้านต้นทุนได้

Q9: อุปกรณ์อัลตราโซนิกและเรดาร์สามารถเชื่อมต่อกับ PLC ได้หรือไม่?

ได้ ขึ้นอยู่กับอินเทอร์เฟซของผลิตภัณฑ์ โดยตัวเลือกทั่วไป ได้แก่ 4–20 mA และ RS485 Modbus RTU ส่วนเครื่องมือเรดาร์จำนวนมากยังรองรับมาตรฐาน HART อีกด้วย

Q10: ควรเปรียบเทียบอุปกรณ์อัลตราโซนิกและเรดาร์จากมุมมองของราคาเป็นหลักหรือไม่?

ไม่ ควรตรวจสอบความเหมาะสมของกระบวนการก่อน จากนั้นจึงเปรียบเทียบในด้านระยะการวัด ความแม่นยำ การติดตั้ง อินเทอร์เฟซการสื่อสาร การบำรุงรักษา และต้นทุนตลอดวงจรชีวิต

สรุป:

เทคโนโลยีการวัดระดับด้วยคลื่นอัลตราโซนิกและเรดาร์ล้วนเป็นเทคโนโลยีที่ไม่ต้องสัมผัสกับวัสดุ อย่างไรก็ตาม หลักฟิสิกส์ของการแพร่กระจายของคลื่นทั้งสองรูปแบบนี้ส่งผลให้เกิดข้อจำกัดในการประยุกต์ใช้งานที่แตกต่างกัน สำหรับถังหรือบ่อขนาดเล็กและโครงสร้างง่าย วิธีการใช้คลื่นอัลตราโซนิกมีความคุ้มค่าทางการเงิน ส่วนเรดาร์โดยทั่วไปสามารถนำไปใช้ในกระบวนการต่างๆ ได้กว้างขึ้น ไม่ว่าจะเป็นในสภาวะสุญญากาศ ดินสิ่งสกปรก อุณหภูมิสูง ไอ โครงสร้างภายในภาชนะที่มีความซับซ้อน หรือการวัดระดับของวัสดุแข็งในปริมาณมากที่มีระยะทางไกล

ในการเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสม ควรพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ขนาดของอุปกรณ์, ช่วงความถี่, อุณหภูมิ, ความดัน, ฟองอากาศ, ฝุ่น, ไอ, รูปทรงของภาชนะ, พื้นที่ติดตั้ง, ความแม่นยำ และอินเทอร์เฟซการสื่อสาร ก่อนตัดสินใจเลือกใช้เทคโนโลยีแบบอัลตราโซนิก, ราดาร์ความถี่ 26 GHz, ราดาร์ความถี่ 80 GHz, ราดาร์แบบคลื่นนำทาง หรือเทคโนโลยีระดับอื่น

METRAVONการเลือกอุปกรณ์วัดระดับสำหรับใช้ในภาคอุตสาหกรรม

สำหรับการประเมินโครงการ โปรดแจ้งข้อมูลดังต่อไปนี้: ชนิดของสื่อ (ของเหลวหรือของแข็ง), ระยะทางการวัดสูงสุด, ขนาดของภาชนะหรือไซโล, อุณหภูมิและแรงดันในกระบวนการ, สภาวะสุญญากาศ, สภาวะของฟองน้ำ, ไอ, ฝุ่น หรือการควบแน่น, โครงสร้างภายใน, การเชื่อมต่อกระบวนการ, อินเทอร์เฟซการสื่อสาร, ระบบโฮสต์, รวมถึงภาพถ่ายหรือแบบแปลนของสถานที่

หมวดผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง

26 GHz · 80 GHz · GWR / TDR