Pomiar poziomu radarem 80 GHz
Technologia 80 GHz zastosowana w serii OPTIWAVE jest najnowszą i najbardziej uniwersalną technologią radarową do pomiaru poziomu cieczy i produktów sypkich. Oferuje wysoce skupioną wiązkę o mniejszej średnicy w porównaniu do radarów o niższej częstotliwości pracy - idealną dla zapylonej atmosfery lub mediów o niskim współczynniku odbicia. Mała strefa martwa i skupiona wiązka pozwalają na stosowanie urządzenia zarówno w małych jak i wysokich zbiornikach.
Pomiar poziomu radarem 80 GHz
Technologia 80 GHz zastosowana w serii OPTIWAVE jest najnowszą i najbardziej uniwersalną technologią radarową do pomiaru poziomu cieczy i produktów sypkich. Oferuje wysoce skupioną wiązkę o mniejszej średnicy w porównaniu do radarów o niższej częstotliwości pracy - idealną dla zapylonej atmosfery lub mediów o niskim współczynniku odbicia. Mała strefa martwa i skupiona wiązka pozwalają na stosowanie urządzenia zarówno w małych jak i wysokich zbiornikach.
Uniwersalność technologii 80 GHz.
Technologia 80 GHz oparta jest na preferowanej obecnie technologii FMCW, stosowanej przez wszystkich głównych producentów oprzyrządowania dla procesów przemysłowych. FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) to fala ciągła modulowana częstotliwością. Radar FMCW w sposób ciągły emituje fale radarowe, których częstotliwość jest modulowana w pewnym paśmie. Przy czym urządzenie mierzy różnicę częstotliwości fali nadawanej i odbieranej (odbitej od produktu) - proporcjonalną do odległości od powierzchni produktu.
Radarowy pomiar poziomu jest bezkontaktowym pomiarem odległości od urządzenia pomiarowego (zamontowanego na górze zbiornika) do powierzchni mierzonego produktu. Po wprowadzeniu geometrii zbiornika i właściwości produktu - takich jak gęstość - urządzenie może obliczyć poziom, objętość lub masę produktu. W przeciwieństwie do przetworników ultradźwiękowych, przetworniki radarowe pracują niezależnie od ciśnienia i temperatury a lepkość i gęstość produktu nie mają wpływu na pomiar.
Istnieją jednak czynniki, które - mimo wszystko - mają wpływ na pomiar. Najbardziej zaawansowana technologia pozwalająca ograniczyć rolę tych czynników opiera się na zastosowaniu fali radarowej o częstotliwości 80 GHz.
Dynamika sygnału i szerokość pasma
Ponieważ każda emitowana częstotliwość jest odbijana i odbierana przez radar, powstaje szerokie spektrum pomiarowe. Przy czym fala radarowa odbija się nie tylko od ośrodka (mierzonego produktu), ale także od wszystkich powierzchni, które znajdują się w zbiorniku, np. od jego wewnętrznych elementów. Dokładne rozróżnienie wszystkich odbitych i wykrytych przez radar sygnałów jest możliwe tylko dzięki wysokiej dynamice (czułości pomiarowej) urządzenia - im większa część sygnału odbitego od produktu trafi z powrotem do urządzenia, tym wyraźniej jest to zobrazowane na widmie sygnału w stosunku do szumów i zakłóceń.
Z poszerzaniem pasma radaru, wzrasta rozdzielczość widma, a poszczególne odbicia widoczne są na widmie sygnału jako węższe, dokładniejsze szczyty - szerokość pasma, w którym częstotliwość jest modulowana, określa liczbę różnych sygnałów odbitych od powierzchni. Sygnał radaru pracującego z częstotliwością 24 GHz modulowany jest w paśmie 24 - 26 GHz (szerokość pasma modulacji wynosi 2 GHz), natomiast radar o częstotliwości pracy 80 GHz modulowany jest w paśmie 78 - 82 GHz (szerokość pasma modulacji wynosi 4 GHz). Przy 4 GHz, możliwe jest np. rozróżnienie celów, które są oddalone od siebie tylko o 10 cm/4". W przypadku 2 GHz nie można ich odróżnić.
Skupienie wiązki radarowej i rozmiar anteny
Przez długi czas przepustowość ograniczana była głównie przez wydajność mikroprocesorów. Dzisiaj ograniczana jest przez anteny i ich konstrukcje, które muszą transmitować sygnał w określonym widmie częstotliwości. Fale radarowe nie rozchodzą się punktowo, jak w przypadku sygnału laserowego, ale raczej w postaci tzw. płata lub wiązki.
Na kąt wiązki fali radarowej można wpłynąć dwoma sposobami. Pierwszy, to zastosowana częstotliwość: im wyższa częstotliwość, tym mniejszy kąt wiązki - ze względu na mniejszą długość fali. Szerokość wiązki dla częstotliwości 80 GHz i szerokości modulacji 4 GHz w odległości 10 m stanowi tylko 30% szerokości wiązki dla częstotliwości 24 GHz i szerokości modulacji 2 GHz. Drugi, to średnica anteny: im większa średnica, tym bardziej skupiona jest wiązka fali radarowej.
Jest to istotne w warunkach pomiarów przemysłowych - w wysokim i wąskim silosie wiązka radaru nie powinna stykać się z jego ścianą lub elementami konstrukcyjnymi, ponieważ oba te elementy nie powinny być mierzone. Dlatego właśnie wiązka fali radarowej musi być zarówno skupiona, jak i możliwie wąska, co oferuje radar 80 GHz z odpowiednio dużą anteną.
Współczynnik odbicia i częstotliwość
Jakość odbicia fali radarowej określana jest także przez właściwości powierzchni produktu - im wyższy współczynnik odbicia (stała dielektryczna), tym wyższy poziom odbitego sygnału.
W przeciwieństwie do cieczy, które bardzo dobrze odbijają sygnały radarowe, produkty sypkie na ogół odbijają je bardzo słabo - wartość stałej dielektrycznej produktu, Er, wynosząca ok. 1,4 jest podawana jako najniższa wartość, przy której można jeszcze wiarygodnie i bezpiecznie mierzyć jego poziom. Podczas gdy współczynnik odbicia płaskiej powierzchni cieczy nie zmienia się w zależności od częstotliwości, rozpraszanie fali na drobnoziarnistych materiałach sypkich, takich jak granulaty lub proszki, znacznie wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości fali.
Urządzeniem pierwszego wyboru jest w tym wypadku właśnie radar 80 GHz - dzięki wysokiej dynamice jest w stanie określić poziom mierzonej substancji nawet w przypadku silnego zapylenia (np. podczas procesu napełniania silosu). Lepsza rozdzielczość w przypadku pasma modulacji równego 4 GHz pomaga także odróżnić użyteczny sygnał pomiarowy od zakłóceń, nawet jeśli znajdują się one blisko siebie.
Streszczenie
Przetwornik radarowy pracujący z częstotliwością 80 GHz oferuje wiązkę pomiarową o największym skupieniu, co pozwala uniknąć odbić zakłócających - nadaje się do wszelkich zbiorników. Mała długość fali oznacza bardzo dobry współczynnik odbicia, co jest szczególnie korzystne w przypadku produktów sypkich - granulatów i proszków o bardzo małych rozmiarach cząstek i/lub wysokim poziomie zapylenia. Zastosowana w przetwornikach OPTIWAVE soczewkowa antena z tworzywa PEEK oferuje wysokie skupienie wiązki sygnału - eliminując konieczność stosowania dużych anten tubowych lub eliptycznych. Ze względu na małe rozmiary, może być stosowana z połączeniami gwintowymi - eliminując konieczność stosowania przyłączy kołnierzowych. Częstotliwość pracy 80 GHz oznacza bardzo duży zakres pomiarowy z małą strefą martwą, co umożliwia wypełnienie zbiornika produktem prawie do samej anteny.
Zasada pomiaru radaru FMCW
Szerokość wiązki fali radarowej dla typowych częstotliwości pracy radaru
Zbiornik z cieczą: duże skupienie wiązki fali radarowej o częstotliwości 80 GHz jest zaletą w przypadku przeszkód wewnętrznych