اختر التردد المناسب لجهاز إرسال مستوى الرادار

لقد استمرت تقنية أجهزة إرسال مستوى الرادار في التحسن على مدى الأربعين عامًا الماضية، وهي الآن واحدة من أكثر التقنيات استخدامًا على نطاق واسع لـ قياس المستوى الصناعي . تنقسم أجهزة إرسال مستوى الرادار عمومًا إلى نوعين: رادار الموجة الموجهة (GWR)، الذي يستخدم مسبارًا أو كابلًا متصلًا، ورادار غير متصل، الذي يرسل موجات ميكروية عبر هوائي دون لمس الوسط.

شهدت أجهزة إرسال مستوى الرادار غير التلامسية في السنوات الأخيرة تطورات جديدة في كيفية اختيار تردد الميكروويف الخاص بها. وتأتي هذه الأجهزة عادةً في ثلاثة نطاقات: التردد المنخفض (من 6 إلى 11 جيجاهرتز)، والتردد المتوسط ​​(من 24 إلى 29 جيجاهرتز ) والتردد العالي ( 80 جيجاهرتز )، ويتم بالفعل استخدام أجهزة قياس مستوى الرادار عبر هذه النطاقات لتقديم قياسات موثوقة ودقيقة في الميدان.

كلما اتسع نطاق الأجهزة المتاحة، كان ذلك أفضل للمستخدمين. مع ذلك، فإن أهم ما يجب مراعاته عند اختيار جهاز هو مطابقة نطاق التردد مع التطبيق الفعلي. لكل تطبيق نطاق تردد يناسبه، وليس كل نطاق تردد مناسبًا لكل تطبيق. لذا، ينبغي على المستخدمين دراسة مزايا وعيوب كل تردد بعناية، بالإضافة إلى ظروف الموقع التي قد تؤثر على الأداء، قبل اتخاذ القرار.

كيف تؤثر نطاقات التردد على دقة القياس

يقيس جهاز الرادار المسافة بينه وبين سطح ما باستخدام الموجات الدقيقة التي يصدرها. ويتم ذلك عن طريق حساب الزمن الذي تستغرقه النبضة للوصول إلى السطح المراد قياسه والانعكاس عائدةً إلى الجهاز.

يحدد التردد الطول الموجي: فكلما زاد التردد، قصر الطول الموجي.

امتصاص الإشارة وتوهينها

يُعد التردد الخاصية الأساسية لأي مستشعر رادار لقياس المستوى، وهو يؤثر على أداء القياس بعدة طرق. فعلى سبيل المثال، تمتص الموجات الميكروية عالية التردد التي تمر عبر وسط ما بشكل أكبر، مما يُضعف الإشارة العائدة.

يشبه الأمر إلى حد ما سماع الموسيقى من خلال جدار. فالترددات المنخفضة للبيس تخترق الجدار لأنها قادرة على ذلك، بينما الترددات العالية للتريبل لا تستطيع ذلك في الغالب.

وبالمثل، فإن الرغوة والغبار والبخار والتكثيف تميل إلى العمل ضد قياس المستوى لأنها تتداخل مع إشارات الرادار عالية التردد على وجه الخصوص، مما يضعف إشارة العودة ويؤثر على الدقة الإجمالية.

تتناقص قوة الإشارة دائمًا أثناء انتقالها عبر وسط ما. لذا، عادةً ما تتعرض الإشارات عالية التردد لتوهين أكبر من الإشارات متوسطة أو منخفضة التردد.

زاوية الشعاع وحجم الهوائي

يؤثر التردد بشكل كبير على زاوية وعرض شعاع هوائي الرادار. يمكن لإشارة عالية التردد أن تحقق زاوية شعاع ضيقة باستخدام هوائي صغير، وتُعد زوايا الشعاع الضيقة مفيدة لأنها تساعد على تجنب العوائق داخل الخزانات والسفن.

مع ذلك، يمكن للرادار منخفض التردد أن يحقق زوايا شعاع ضيقة، ولكن باستخدام هوائي أكبر. لذا، يجب على المستخدمين مراعاة المساحة المتاحة فعلياً في السفينة لتركيبه.

للحزم الضيقة عيوبها أيضاً: أي عائق في الخزان يمكن أن يحجب الحزمة الضيقة تماماً، في حين أن الحزمة الأوسع قد تكون محجوبة جزئياً فقط ولا تزال تعطي قراءة موثوقة.

الاضطراب وتشتت الإشارة

يمكن أن تؤثر الاضطرابات في سائل العملية على قياسات الرادار. فالموجات والتموجات على السطح تتسبب في تشتت الموجات الدقيقة بدلاً من انعكاسها بشكل كامل إلى الهوائي، مما قد يؤدي إلى فقدان قوة الإشارة بنسبة تصل إلى 90%، الأمر الذي يضر بالموثوقية والدقة. وتتأثر الموجات القصيرة في عمليات الإرسال عالية التردد بهذا الأمر بشكل خاص.

تستخدم وحدات الرادار الحديثة عالية التردد، والتي غالبًا ما تُصنع بتردد 80 جيجاهرتز، طول موجة أقصر بكثير وزاوية شعاع ضيقة جدًا. يعمل هذا الشعاع الضيق بكفاءة عالية على السفن الصغيرة والمساحيق الناعمة، حيث لا يجد الشعاع العريض أي مجال لتجنب العوائق الداخلية. ولكنه يحمل نفس عيوب أنواع الرادار الأخرى عالية التردد: فالرغوة والبخار والاضطرابات لا تزال تُضعف الإشارة، لذا فإن تردد 80 جيجاهرتز ليس حلاً للخزانات المتسخة أو المليئة بالرغوة التي ذُكرت سابقًا.

الاضطراب وتشتت الإشارة

قد تتأثر قياسات مستوى السائل باستخدام الرادار بالاضطرابات داخل السائل المعالج. وذلك لأن الموجات الدقيقة تصطدم بالأمواج والتموجات على سطح السائل، مما يؤدي إلى تشتتها وتبددها بدلاً من انعكاسها على الهوائي. وقد يتسبب هذا في فقدان قوة الإشارة بنسبة تصل إلى 90%، وبالتالي التأثير على موثوقية ودقة القياسات. لذا، سيؤثر هذا أيضاً على الموجات القصيرة في عمليات الإرسال عالية التردد.

تستخدم وحدات الرادار الحديثة عالية التردد، والتي غالبًا ما تُصنع بتردد 80 جيجاهرتز، طول موجة أقصر بكثير وزاوية شعاع ضيقة جدًا. يعمل هذا الشعاع الضيق بكفاءة عالية على السفن الصغيرة والمساحيق الناعمة، حيث لا يجد الشعاع العريض أي مجال لتجنب العوائق الداخلية. إلا أنه يعاني من نفس عيوب أنواع الرادار الأخرى عالية التردد: فالرغوة والبخار والاضطرابات لا تزال تُضعف الإشارة، لذا فإن تردد 80 جيجاهرتز ليس حلاً للخزانات المتسخة أو المليئة بالرغوة التي ذُكرت سابقًا.

اختيار التردد المناسب للتطبيقات المختلفة

تتعدد تطبيقات قياس مستوى الرادار في مختلف الصناعات التحويلية، ولكل منها تحدياتها الخاصة. لذا، من المهم للمستخدمين تحديد نطاق التردد الأنسب لحالتهم. إليكم بعض السيناريوهات الشائعة التي تستحق الدراسة.

هوائيات متسخة وملوثة

يمكن أن يؤثر تراكم الأوساخ والملوثات على الهوائي بمرور الوقت على اتجاه وقوة إشارة الرادار. لا تتأثر إشارات الترددات المتوسطة والمنخفضة بهذا الأمر بشكل كبير، نظرًا لانخفاض حساسيتها للتلوث. أما إشارات الترددات العالية، فالوضع مختلف: إذ تمتص أي أوساخ تغطي الهوائي جزءًا كبيرًا من طاقة الإشارة، ويمكنها أيضًا تغيير اتجاه الشعاع. حتى تراكم بسيط وغير متساوٍ يمكن أن يحرف الشعاع بمقدار 1.5 درجة تقريبًا. يُعد هذا الأمر إشكاليًا بشكل خاص لرادار الحزمة الضيقة، حيث لن يستقبل الهوائي صدى الإشارة بشكل صحيح، ما يؤدي إلى انخفاض قوة الإشارة بشكل ملحوظ. مصانع معالجة الخامات المناطق التي تكون فيها مستويات الغبار مرتفعة بشكل خاص، هي أمثلة جيدة على الأماكن التي يميل فيها الرادار ذو التردد المتوسط ​​والمنخفض إلى العمل بشكل أفضل.

خزانات تحتوي على بخار أو تكثيف

قد يُصعّب التشويش الناتج عن قطرات الماء الحصول على انعكاس واضح من سطح المنتج عند وجود بخار أو تكثف. يؤثر هذا بشكل رئيسي على الإشارات عالية التردد، لذا تُعدّ تقنيات الترددات المتوسطة والمنخفضة الخيار الأمثل في هذه الحالة. كما أن تصميم الهوائي مهم أيضًا. فالهوائيات ذات الأسطح الأفقية المسطحة غير مناسبة للبيئات المعرضة للتكثف. ويُستخدم هذا النوع من الهوائيات بكثرة في خزانات مياه تغذية غلايات البخار أو المفاعلات الكيميائية ذات الأغلفة البخارية المُسخّنة.

تطبيقات مع الاضطرابات والتموجات والأمواج

غالباً ما تحتوي السوائل في الخزانات الكبيرة على تموجات وأمواج على سطحها، ويُشكل هذا النوع من الاضطراب عائقاً حقيقياً أمام القياسات عالية التردد. تتميز أجهزة الترددات العالية بأطوال موجية قصيرة، لذا حتى أدنى حركة سطحية قد تُشتت الإشارة بدلاً من عكسها بوضوح، مما يُضعف الإشارة المرتدة. أما أجهزة الترددات المتوسطة والمنخفضة فتتعامل مع هذا الأمر بشكل أفضل، لأنها تُصدر أطوالاً موجية أطول. تُعد خزانات تخزين النفط الخام الكبيرة وأحواض التهوية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، حيث يكون السطح مُتحركاً باستمرار، أمثلة نموذجية حيث يكون الرادار ذو الترددات المتوسطة والمنخفضة هو الخيار الأكثر موثوقية.

تطبيقات رغوية

يصبح القياس الدقيق أكثر صعوبة عندما يكون السطح مغطى بالرغوة، لأسباب مشابهة لتلك المتعلقة بالتكثيف والأوساخ: فالرغوة تمتص إشارة الرادار. تميل أجهزة التردد المنخفض إلى العمل بكفاءة في هذه الحالة، وتعطي قراءات أكثر موثوقية. ونظرًا لاختلاف خصائص الرغوة بشكل كبير، فإن التردد المنخفض أنسب للرغوة السميكة والكثيفة مثل اللاتكس والدبس والبيرة، بينما يمكن لأجهزة التردد المتوسط ​​التعامل مع الرغوة الخفيفة. أما أجهزة التردد العالي، فهي غير مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تحتوي على رغوة.

خزانات تخزين السوائل السائبة

يُجرى قياس مستوى السوائل في خزانات التخزين الكبيرة، مثل الخزانات ذات الأسقف العائمة، أحيانًا عبر أنابيب ثابتة. ويُفضّل استخدام الرادار منخفض التردد في هذه الحالة، نظرًا لحساسيته المنخفضة لتراكم الرواسب على جدار الأنبوب، ولعدم استقامة الأنابيب تمامًا. أما الرادار عالي التردد، فيواجه صعوبة في هذا النوع من الخزانات. وتُعدّ خزانات تخزين النفط الخام والمنتجات المكررة في مصانع البتروكيماويات مثالًا كلاسيكيًا على استخدام الرادار منخفض التردد مع الأنابيب الثابتة.

إضافةً إلى ذلك، قد تتسبب الرياح، وانتفاخ الخزانات، والظل، وأشعة الشمس في حركة سقف خزانات التخزين الكبيرة. يُعدّ الرادار عالي التردد أكثر حساسيةً لهذا النوع من الميلان نظرًا لزاوية شعاعه الضيقة. فإذا انحرف محور الهوائي ولو قليلًا عن الوضع الرأسي، فقد يفقد الإشارة المنعكسة تمامًا.

قياس مستوى المواد الصلبة

يعتمد التردد المناسب لقياس المواد الصلبة على التطبيق المستخدم. يمكن للرادار ذي التردد المتوسط ​​والمنخفض التعامل مع المواد الصلبة الخشنة والغبار والتكثيف، بينما يعمل الرادار ذو التردد العالي بشكل جيد مع المساحيق الناعمة. صوامع الحبوب وتُعدّ مخازن الفحم، بجزيئاتها الخشنة وغبارها الكثيف، مناسبةً للترددات المتوسطة والمنخفضة، بينما تميل المساحيق الناعمة كالدقيق أو مسحوق الحليب إلى أن تكون أكثر دقةً في القياس باستخدام رادار الترددات العالية. ويُشكّل التكثيف مشكلةً عامةً لرادار الترددات العالية، وعندما يتحد مع بعض المواد الصلبة، يُمكن أن يُسرّع من تراكمها، مما يؤدي إلى انسداد فتحات الفوهات الصغيرة وحجب هوائيات الترددات العالية، التي عادةً ما تكون صغيرة الحجم في الأصل.