Radar seviyesi vericisi veya radar seviyesi vericisi nedir?
Radar Seviye Transmitteri veya Radar Seviye Transmitteri, tank içindeki akışkana dalgalar göndererek verici ile proses akışkanı seviyesi arasındaki mesafeyi ölçen cihazdır.
Radar seviye vericisinin çalışma yöntemi, dalgaların ileri geri hareket etme süresine göre mesafeyi hesaplayan ultrasonik seviye vericisine hemen hemen benzer. Ancak radar ve ultrasonik seviye vericisi arasındaki temel fark, her birinde kullanılan dalgalardadır.
Aslında radar vericisi seviyesinde ses dalgaları yerine 5,8 ila 26 GHz frekansındaki elektromanyetik dalgalar kullanılıyor.
Radar seviye vericisinin çalışma prensipleri
Her ortam için bir geçirgenlik katsayısı veya dielektrik sabiti εr tanımlanır. Radar seviye vericisinin çalışmasının temeli, bir ortam için εr > 1,8 ise elektromanyetik dalgaların o ortamdan geçeceği prensibine dayanmaktadır. Aksi halde εr < 1,8 ise dalgalar malzemenin yüzeyinden yansıtılır.
Buna dayanarak, bir tank içindeki sıvı seviyesi, yaklaşık 2 mm’ye kadar yüksek doğrulukta radyo dalgaları gönderilip alınarak ölçülebilir.
Aslında dalgalar sıvı yüzeyinden geri döner ve yüzeyi ölçmek için kullanılan bir frekans değişikliğine uğrar. Bazı malzemeler için εr aşağıdaki gibidir:
1,9 < εr < 4: kimyasallar ve hidrokarbonlar
4 < εr < 10: organik çözücüler
εr > 10: organik çözeltiler
Radar seviye vericisinin avantajları
Söylediğimiz gibi radar seviye vericisi sıvı seviyesini ölçmek için mikrodalga elektromanyetik dalgaları kullanır. Bu dalgalar doğası gereği elektromanyetiktir (alternatif elektrik ve manyetik alanlar dahil) ve frekansları çok yüksektir.
Mikrodalgalar, radyo dalgalarından daha yüksek elektromanyetik dalga aralığındadır ve radar seviye vericisinde kullanılan mikrodalgaların frekansı 5,8 GHz ila 26 GHz arasındadır. Ultrasonik yüzey vericilerinde kullanılan ses dalgaları ise sıvı veya katı bir madde içerisinde bir molekülden diğerine aktarılan mekanik dalgalardandır. Bu dalgaların frekansı mikrodalgalardan daha düşüktür; 30 Hz ila 70 kHz aralığındadır.
Elektromanyetik dalgaların yayılması için maddi bir ortama ihtiyaç duyulmaz, bu özelliğinden dolayı radar yüzey vericisi ultrasonik tipe göre daha fazla avantaja sahiptir. Bu avantajlar arasında tankın üst kısmında toz ve buhar olmaması gereken ultrasonik seviye vericilerinden farklı olarak radar seviye vericisinde bu maddelerin varlığının sorun oluşturmaması sayılabilir.
Çünkü mikrodalgaların içinden geçtiği toz, buhar ve köpüğün iletim katsayısı 1,8’den azdır ve bu nedenle ölçüm sonucunu etkilemez.
Radar yüzey vericilerinin bir diğer avantajı da sonuçların sıcaklık ve basınca bağlı olmaması ve bu ekipmanla 70 metreye kadar ölçüm yapılabilmesidir. Ayrıca bu tip yüzey vericisinin ışınının çok küçük olması nedeniyle tankların ve diğer ekipmanların duvarlarına daha az çarparak daha az hata meydana gelir.
Radar seviye vericisi aynı zamanda türbülanslı sıvıların seviyesini ölçmek için de kullanılabilir. Dikkat edilmesi gereken bir husus, bu ekipmanda engelleme mesafesi miktarına uyulması gerektiğidir. Engelleme mesafesi, verici ile tank seviyesinin %90’a ulaştığı HH seviyesi miktarı arasında gerekli olan minimum mesafedir.
Radar seviye vericilerinin türleri
Radar yüzey vericileri temaslı ve temassız tiplere ayrılır. Temassız radar vericilerinde, yüzey vericisi ile proses akışkanı arasında doğrudan temas yoktur ve verici, radar dalgalarını akışkana göndermek ve bunların akışkan yüzeyinden yansımasını almak için bir anten kullanır.
Temaslı radar yüzey vericisinde, tanker veya tankın içindeki proses akışkanı ile temas halinde olan bir prob veya tel kullanılır. Aslında prob veya tel, dalgaların sıvıya iletilmesi ve bunların sıvının yüzeyinden vericiye geri dönüşü veya yansıması olarak kullanılır.
Aşağıdaki resim temaslı ve temassız radar yüzey vericisi arasındaki farkı göstermektedir.
İletişim radar seviye vericileri
Söylediğimiz gibi temaslı radar yüzey vericisinde, sinyali sıvı tankına iletmek için bir çubuk veya kablo kullanılır. Temaslı radar yüzey vericileri iki türe ayrılır: Kılavuzlu Dalga Radarı (GWR) ve Faz Farkı Sensörü (PDS). GWR seviye vericisi endüstride en yaygın ve yaygın olarak kullanılan seviye vericisidir.
Kılavuzlu Dalga Radar temas yüzeyi vericisi
Kılavuzlu Dalga Radar yüzey vericisi, yüzeyi ölçmek için Time Domain Reflectometry (TDR) teknolojisini kullanır. GWR vericisi, bir sonda veya tel aracılığıyla sıvı haznesine yüksek frekanslı, düşük genlikli elektromanyetik darbeler gönderir ve ardından geri dönen yansıyan dalgaların genliğini izler. Geri dönen dalgaların genliği, dalgaları yansıtan sıvının dielektrik sabitine bağlıdır.
Sıvının dielektrik sabiti ne kadar büyük olursa yansıyan dalgaların genliği de o kadar büyük olur. Aşağıdaki resim, Kılavuzlu Dalga Radar temas yüzey vericisinin çalışmasını ve gönderilen ve yansıtılan alınan sinyal aralığı arasındaki farkı göstermektedir.
Akışkan yüzeyinde dalga kılavuzunun empedansı azalır, bunun sonucunda yansıyan dalgaların genliği artar. Artık radar yüzey vericisi, farklı genliklerdeki yansıyan dalgaları alıyor ve bunları sıvı yüzeyinden yansımalar olarak tanımlıyor ve zamanı kullanarak yüzeyi hesaplıyor. Sıvının üzerindeki buharın dielektrik sabiti yüksekse (doymuş buhar gibi), darbenin yansımasını geciktirebilir ve seviye ölçümünde hatalara neden olabilir.
Bu durumda bir kompansatör kullanılması veya üretici tarafından özel bir kalibrasyon yapılması gerekir. Dalga kılavuzunun veya probun tipini ve tipini seçerken aşağıdakiler dikkate alınmalıdır:
Sıvının dielektrik sabiti
sıcaklık
basınç
Aşındırıcı sıvı
Ölçüm yüksekliği
Tankın içinde engellerin varlığı
Tehlikeli alanların sınıflandırılması
GWR seviye vericisi aynı zamanda çeşitli akışkanlar arasındaki arayüz seviyesinin ölçümü için de uygun bir seçimdir.
Ara yüzey seviyesini doğru bir şekilde ölçmek için, üst ve alt sıvının dielektrik sabiti arasındaki farkın 6’dan büyük olması ve yüksek sıvının dielektrik sabitinin 10’dan küçük olması gerekir. Ayrıca iki akışkan arasındaki sınır, emülsiyon tabakası olmadan açık ve belirgin olmalıdır.
Faz farkı kontaklı radar seviye vericisi
Faz farkı temas yüzey vericisi veya PDS, bir prob aracılığıyla sıvıya yüksek frekanslı dalgalar gönderir. Sinyal akışkan yüzeyine ulaştığında, sensörün akışkan yüzeyindeki empedansındaki ani değişim nedeniyle frekansı değişir. PDS vericisi, gönderilen ve alınan sinyaller arasındaki faz farkını ölçer ve mesafeyi ve son olarak tank içindeki sıvı seviyesini hesaplar. Aşağıdaki resimde faz farkı kontak yüzey vericisinin çalışmasının bir görünümü gösterilmektedir.
Temassız radar yüzey vericileri
Söylediğimiz gibi temassız radar vericilerinde yüzey vericisi ile proses akışkanı arasında doğrudan temas yoktur ve radar dalgalarını akışkanın içine gönderip akışkan yüzeyinden yansımasını almak için bir anten kullanılır.
Temassız radar yüzey vericisi de çalışma prensiplerine göre FMCW ve darbe olmak üzere iki türe ayrılır. Temassız radar vericilerinde, mikrodalga dalgaları bir anten kullanılarak tankın içindeki sıvıya gönderilir.
Hem FMCW hem de darbeli temassız radar seviye vericileri, seviyeyi tespit etmek ve ölçmek için uçuş süresi teknolojisini kullanır. Bu vericilerin anteni, akışkan yüzeyine doğru mikrodalga dalgaları yayar ve seviyenin belirlenmesinde kullanılmak üzere yansıyan dalgaların zaman gecikmesini hesaplar.
Temaslı yöntemlerin aksine, temassız yöntemler akışkanlar arasındaki arayüzü tespit edemez.
FMCW temassız radar seviye vericisi
FMCW vericisi veya frekans modülasyonlu taşıyıcı dalga (Frekans Modülasyonlu Taşıyıcı Dalga), bir tür temassız vericidir. Bu tip yüzey vericisinde, frekansın sürekli olarak düşükten yükseğe ve tersi yönde değiştiği frekans taramalı bir sinyal gönderilir ve farklı frekansta yansıyan sinyal alınır.
Verici ile akışkan yüzeyi arasındaki mesafe ve tanktaki akışkanın yüksekliği, hızlı Fourier dönüşümü veya FFT kullanılarak bu frekans farkından elde edilebilir. Akışkan yüzeyine olan mesafeye d, ışığın hızına c, tarama süresine t0 ve tarama frekansına f0 dersek, ortaya çıkan frekans farkı Δf ile mesafe d arasındaki ilişki şu şekilde hesaplanır:
Δf = 2 f0 d/ (c t0)
FMCW vericisinin güç tüketimi, yorumlama algoritması nedeniyle daha yüksektir. Geçmişte, FMCW vericisi yalnızca harici güç kaynağıyla mevcuttu, ancak bugün aynı zamanda yüksek ölçüm doğruluğuna sahip döngüden güç alan güç kaynağıyla da mevcuttur. Bu seviye vericisi 2 mm’ye kadar yüksek doğruluğa sahiptir ve 70 metreye kadar ölçüm yapar.
Temassız darbeli radar yüzey vericisi
Darbeli, temassız bir radar yüzey vericisi, sıvıya 1 nanosaniyelik aralıklarla ve ardından 500 nanosaniyelik bir dinlenmeyle bir dizi mikrodalga darbesi yayar. Artık önceki yöntemlerde olduğu gibi darbe alım süresine bağlı olarak verici ile sıvı seviyesi arasındaki mesafeyi ve bunun sonucunda tanktaki sıvının yüksekliğini hesaplamak mümkün.
Bu ölçüm yönteminde iletkenliği yüksek olan akışkanlar daha güçlü sinyalleri yansıtırken, iletkenliği düşük olan akışkanlar dalga enerjisini emerek zayıf bir sinyali yansıtır. Elektrik iletkenliği düşük olan akışkanlar için FMCW radar seviye vericileri darbeli tipe göre daha doğru seviye ölçümü sağlar. Sinyal alma süresi ile verici ile yüzey arasındaki mesafe arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:
Δt = 2d√εr / c
Radar seviye vericilerinin frekansları
Daha önce de belirttiğimiz gibi radar seviye vericilerinde kullanılan mikrodalgaların frekansı 5,8 ila 26 GHz aralığındadır. Bu frekansa sahip dalgaların atmosferde kullanılması frekans düzenlemesi ve gerekli lisanslar nedeniyle yasaktır. Metal tanklar Faraday kafesi gibi davranarak elektromanyetik dalgaları engeller.
Dolayısıyla temassız radar seviye vericilerinin bu tanklarda kullanılması lisans gerektirmemektedir. Ancak tank metal değilse Wi-Fi ve diğer amaçlarla kullanılan 2,4 ve 5,8 GHz vericileri lisans gerektirmeden kullanabilirsiniz. Metal tanklardaki radar seviye vericileri için en yaygın kullanılan frekanslar 6, 10 ve 26 GHz’dir.
Anten türleri
Radar seviye vericilerinde elektromanyetik dalgaların gönderilmesi ve alınması için bir anten kullanılır. Antenin boyutu sinyalin frekansıyla orantılıdır. Anten kazancı, antenin boyutunun artmasıyla veya daha yüksek frekansların kullanılmasıyla artar. Aslında antenin kazancı, çapın ikinci kuvveti ile dalgaların frekansının çarpımı ile orantılıdır.
anten kazancı ∝ (çap) 2 * (frekans) 2
Yüksek frekanslar için ışın açısı daha küçüktür, dolayısıyla küçük nozullar için yüksek frekanslı radar vericileri kullanılabilir. Örneğin, 5,8 GHz vericinin nozülü 6 inçten az olmamalıdır. Antenin kazancı aynı zamanda antenin uzunluğunu ve şeklini etkileyen açıklık verimliliğine de bağlıdır.
Radar seviye vericileri için genel olarak dört tip anten vardır: Rod, Horn, Parabolik ve Planner. İlk üç antene tekli besleyici, son tipe ise çoklu besleyici denir. Tek besleyici, sinyalin gönderilip alınmasının yalnızca bir noktadan gerçekleştirilmesi anlamına gelir.
Ancak çok besleyicili antenlerde, her biri ayrı ayrı dalga gönderip alan birkaç açıklık vardır. Son olarak tüm değerlerin ortalaması alınır. Bu nedenle bu tip antenler türbülanslı akışkanlar için daha uygundur. Aşağıdaki resimde anten çeşitlerini görebilirsiniz.
Anten türlerinin karşılaştırılması
Çubuk tipi anten, proses akışkanı ile temas halinde olacak ve aynı zamanda akışkan arayüz seviyelerini de ölçebilecek kontak tipidir. Ancak diğer üç tür temassızdır. Horn antenler sinyali şekillendirme özelliğine sahiptir ancak planlayıcı antenlerde dalgaları şekillendirecek mekanik bir parça yoktur. Horn antenler aynı zamanda petrol ve petrol türevleri için de kullanılır, ancak viskoz akışkanlar için kullanılmaz.
Parabolik antenler, dalgaları güçlü bir şekilde yoğunlaştırma avantajına sahiptir ve bu nedenle dalgaları zayıflatan viskoz akışkanlar ve buğday, çimento gibi katı madde siloları için de kullanılırlar.
Parabolik antenler en yüksek kazanca sahipken, çubuk antenler en düşük hassasiyete sahiptir. Horn anteni en yaygın anten türü olarak kabul edilebilir. Parabolik antenlerin basınç sınırlamaları vardır ancak yüzey kirliliğine dayanabilirler. Bu tip antenler genellikle tank çiftliklerinde kullanılır.
Çubuk antenler düşük frekanslar ve küçük nozullar için uygundur.
Kirliliğin varlığı bu antenin verimliliğini olumsuz yönde etkileyebilir, bu nedenle daldırma uygulamalarında kullanılmamalıdır. Horn anteni en yaygın kullanılan anten olup, nozül uzunluğunun uzun olması durumunda uzatılabilir.
