เลือกความถี่ที่เหมาะสมสำหรับเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์

เทคโนโลยีเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องตลอด 40 ปีที่ผ่านมา และปัจจุบันเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด การวัดระดับอุตสาหกรรม เครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ เรดาร์คลื่นนำ (GWR) ซึ่งใช้หัววัดหรือสายเคเบิลแบบสัมผัส และเรดาร์แบบไม่สัมผัส ซึ่งส่งคลื่นไมโครเวฟผ่านเสาอากาศโดยไม่ต้องสัมผัสกับตัวกลาง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์แบบไม่สัมผัสได้มีการพัฒนาใหม่ๆ ในด้านการเลือกความถี่ไมโครเวฟ อุปกรณ์เหล่านี้โดยทั่วไปมีให้เลือกสามช่วง ได้แก่ ความถี่ต่ำ (6 ถึง 11 GHz) ความถี่กลาง (24 ถึง ) 29 GHz ) และความถี่สูง ( 80 GHz และเครื่องวัดระดับเรดาร์ในช่วงระยะเหล่านี้กำลังถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้การวัดที่เชื่อถือได้และแม่นยำในภาคสนามอยู่แล้ว

ยิ่งมีอุปกรณ์ให้เลือกหลากหลายมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งดีต่อผู้ใช้งานมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญที่สุดในการเลือกอุปกรณ์คือ การเลือกย่านความถี่ให้เหมาะสมกับการใช้งานจริง การใช้งานแต่ละอย่างมีช่วงความถี่ที่เหมาะสมที่สุด และไม่ใช่ทุกช่วงความถี่จะเหมาะกับการใช้งานทุกอย่าง ด้วยเหตุนี้ ผู้ใช้งานจึงควรพิจารณาจุดแข็งและจุดอ่อนของแต่ละช่วงความถี่อย่างรอบคอบ รวมถึงสภาพแวดล้อมที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน ก่อนที่จะตัดสินใจเลือก

แถบความถี่ส่งผลต่อความแม่นยำในการวัดอย่างไร

เครื่องมือเรดาร์วัดระยะห่างระหว่างตัวมันเองกับพื้นผิวโดยใช้คลื่นไมโครเวฟที่ปล่อยออกมา โดยจะคำนวณเวลาที่คลื่นใช้ในการเดินทางไปถึงพื้นผิวที่วัดและสะท้อนกลับมายังเครื่องมือ

ความถี่เป็นตัวกำหนดความยาวคลื่น: ความถี่สูง ความยาวคลื่นยิ่งสั้น

การดูดซับและการลดทอนสัญญาณ

ความถี่เป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่สุดของเซ็นเซอร์วัดระดับเรดาร์ทุกชนิด และส่งผลต่อประสิทธิภาพการวัดในหลายด้าน ตัวอย่างเช่น คลื่นไมโครเวฟความถี่สูงที่ผ่านตัวกลางจะถูกดูดซับมากขึ้น ซึ่งทำให้สัญญาณที่สะท้อนกลับมาอ่อนลง

มันก็เหมือนกับการได้ยินเสียงเพลงผ่านกำแพงนั่นแหละ เสียงเบสความถี่ต่ำสามารถทะลุผ่านกำแพงได้ ในขณะที่เสียงแหลมความถี่สูงส่วนใหญ่ไม่สามารถทะลุผ่านได้

ในทำนองเดียวกัน ฟอง ฝุ่น ไอน้ำ และการควบแน่น มักจะเป็นอุปสรรคต่อการวัดระดับ เนื่องจากสิ่งเหล่านี้รบกวนสัญญาณเรดาร์ความถี่สูงโดยเฉพาะ ทำให้สัญญาณสะท้อนกลับอ่อนลงและส่งผลต่อความแม่นยำโดยรวม

ความแรงของสัญญาณจะลดลงเสมอเมื่อเดินทางผ่านตัวกลาง ดังนั้นสัญญาณความถี่สูงจึงมักถูกลดทอนมากกว่าสัญญาณความถี่กลางหรือความถี่ต่ำ

มุมลำแสงและขนาดเสาอากาศ

ความถี่มีผลอย่างมากต่อมุมและความกว้างของลำแสงของเสาอากาศเรดาร์ สัญญาณความถี่สูงสามารถสร้างมุมลำแสงแคบได้ด้วยเสาอากาศขนาดเล็ก และมุมลำแสงแคบนั้นมีประโยชน์เพราะช่วยหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางภายในถังและเรือได้

ถึงกระนั้น เรดาร์ความถี่ต่ำก็สามารถสร้างมุมลำแสงแคบได้เช่นกัน เพียงแต่ต้องใช้เสาอากาศขนาดใหญ่กว่า ดังนั้นผู้ใช้จึงต้องคำนึงถึงพื้นที่ว่างที่มีอยู่บนเรือสำหรับการติดตั้งด้วย

ลำแสงแคบก็มีข้อเสียเช่นกัน คือ สิ่งกีดขวางใดๆ ในถังอาจปิดกั้นลำแสงแคบได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ลำแสงที่กว้างกว่าอาจถูกปิดกั้นเพียงบางส่วนและยังคงให้ค่าที่วัดได้อย่างน่าเชื่อถือ

ความปั่นป่วนและการกระจัดกระจายของสัญญาณ

ความปั่นป่วนในของเหลวในกระบวนการผลิตอาจส่งผลกระทบต่อการวัดด้วยเรดาร์ได้เช่นกัน คลื่นและระลอกคลื่นบนพื้นผิวทำให้คลื่นไมโครเวฟกระจัดกระจายแทนที่จะสะท้อนกลับไปยังเสาอากาศอย่างราบรื่น ซึ่งอาจทำให้ความแรงของสัญญาณลดลงได้ถึง 90% ส่งผลเสียต่อทั้งความน่าเชื่อถือและความแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคลื่นความยาวสั้นในการส่งสัญญาณความถี่สูงจะมีความไวต่อปรากฏการณ์นี้เป็นพิเศษ

เรดาร์ความถี่สูงรุ่นใหม่ มักสร้างขึ้นที่ความถี่ประมาณ 80 GHz ใช้ความยาวคลื่นที่สั้นกว่ามากและมุมลำแสงที่แคบมาก ลำแสงแคบนี้ทำงานได้ดีกับภาชนะขนาดเล็กและผงละเอียด ซึ่งลำแสงกว้างไม่มีทางหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางภายในได้ แต่ก็มีข้อเสียเช่นเดียวกับเรดาร์ความถี่สูงอื่นๆ คือ ฟอง ไอระเหย และความปั่นป่วนยังคงทำให้สัญญาณอ่อนลง ดังนั้น 80 GHz จึงไม่ใช่ทางออกสำหรับถังที่สกปรกหรือมีฟองอย่างที่กล่าวไว้ข้างต้น

ความปั่นป่วนและการกระจัดกระจายของสัญญาณ

การวัดระดับด้วยเรดาร์อาจได้รับผลกระทบจากความปั่นป่วนภายในของเหลวที่กำลังทำการวัด เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟจะกระทบกับพื้นผิวของของเหลวและก่อให้เกิดคลื่นกระเพื่อม แต่คลื่นไมโครเวฟเหล่านี้จะกระจายและกระจัดกระจายแทนที่จะสะท้อนกลับไปยังเสาอากาศเนื่องจากความปั่นป่วน ทำให้ความแรงของสัญญาณลดลงประมาณ 90% และส่งผลต่อความน่าเชื่อถือและความแม่นยำของการวัด ดังนั้นจึงส่งผลกระทบต่อคลื่นความยาวสั้นในการส่งสัญญาณความถี่สูงด้วย

เรดาร์ความถี่สูงรุ่นใหม่ มักสร้างขึ้นที่ความถี่ประมาณ 80 GHz ใช้ความยาวคลื่นที่สั้นกว่ามากและมุมลำแสงที่แคบมาก ลำแสงแคบนี้ทำงานได้ดีกับภาชนะขนาดเล็กและผงละเอียด ซึ่งลำแสงกว้างไม่มีทางหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางภายในได้ อย่างไรก็ตาม มันก็มีข้อเสียเช่นเดียวกับเรดาร์ความถี่สูงอื่นๆ คือ ฟอง ไอระเหย และความปั่นป่วนยังคงทำให้สัญญาณอ่อนลง ดังนั้น 80 GHz จึงไม่ใช่ทางออกสำหรับถังที่สกปรกหรือมีฟองอย่างที่กล่าวไว้ข้างต้น

การเลือกความถี่ที่เหมาะสมสำหรับงานต่างๆ

การวัดระดับด้วยเรดาร์มีหลากหลายรูปแบบในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต และแต่ละรูปแบบก็มีปัญหาและความท้าทายเฉพาะตัว ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่ผู้ใช้งานจะต้องเลือกใช้ย่านความถี่ที่เหมาะสมกับสถานการณ์ของตน ต่อไปนี้คือสถานการณ์ทั่วไปบางส่วนที่ควรพิจารณา

เสาอากาศที่มีสิ่งสกปรกและสารปนเปื้อน

สิ่งสกปรกและการปนเปื้อนที่สะสมอยู่บนเสาอากาศเมื่อเวลาผ่านไป อาจส่งผลต่อทิศทางและความแรงของสัญญาณเรดาร์ สัญญาณความถี่กลางและต่ำจะไม่ได้รับผลกระทบมากนัก เนื่องจากมีความไวต่อการปนเปื้อนต่ำ แต่สัญญาณความถี่สูงนั้นแตกต่างออกไป สิ่งสกปรกที่ปกคลุมเสาอากาศจะดูดซับพลังงานของสัญญาณไปเป็นจำนวนมาก และยังสามารถเปลี่ยนทิศทางของลำแสงได้ แม้แต่การสะสมเพียงเล็กน้อยที่ไม่สม่ำเสมอ ก็สามารถทำให้ลำแสงเบี่ยงเบนไปได้ประมาณ 1.5 องศา ซึ่งเป็นปัญหาอย่างยิ่งสำหรับเรดาร์ลำแสงแคบ เนื่องจากเสาอากาศจะไม่สามารถรับสัญญาณสะท้อนกลับได้อย่างถูกต้อง และความแรงของสัญญาณจะลดลงอย่างมาก ไซโลซีเมนต์และ โรงงานแปรรูปแร่ พื้นที่ที่มีฝุ่นละอองสูงเป็นพิเศษ เป็นตัวอย่างที่ดีที่แสดงให้เห็นว่าเรดาร์ความถี่กลางและต่ำมักทำงานได้ดีกว่า

ถังที่มีไอน้ำหรือหยดน้ำ

เสียงรบกวนจากหยดน้ำอาจทำให้การสะท้อนแสงจากพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ทำได้ยากขึ้นเมื่อมีไอน้ำหรือหยดน้ำเกาะอยู่ โดยส่วนใหญ่จะส่งผลกระทบต่อสัญญาณความถี่สูง ดังนั้นเทคโนโลยีความถี่กลางและต่ำจึงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในสถานการณ์นี้ การออกแบบเสาอากาศก็ยังมีความสำคัญเช่นกัน เสาอากาศที่มีพื้นผิวเรียบและแนวนอนไม่เหมาะกับสภาพแวดล้อมที่มีแนวโน้มเกิดหยดน้ำ การติดตั้งแบบนี้มักพบได้ในถังเก็บน้ำป้อนหม้อไอน้ำหรือเครื่องปฏิกรณ์เคมีที่มีปลอกไอน้ำร้อน

การประยุกต์ใช้กับความปั่นป่วน ระลอกคลื่น และคลื่น

ของเหลวในถังขนาดใหญ่มักมีระลอกคลื่นและคลื่นบนพื้นผิว และความปั่นป่วนแบบนี้เป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับการวัดความถี่สูง อุปกรณ์ความถี่สูงมีคลื่นความยาวสั้น ดังนั้นแม้การเคลื่อนไหวของพื้นผิวเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้สัญญาณกระจัดกระจายแทนที่จะสะท้อนกลับมาอย่างชัดเจน ทำให้สัญญาณที่ส่งกลับมาอ่อนลง เครื่องมือความถี่กลางและต่ำจัดการกับปัญหานี้ได้ดีกว่า เนื่องจากมีคลื่นความยาวที่ยาวกว่า ถังเก็บน้ำมันดิบขนาดใหญ่และบ่อเติมอากาศในโรงบำบัดน้ำเสีย ซึ่งพื้นผิวมีการกวนอยู่ตลอดเวลา เป็นตัวอย่างทั่วไปที่เรดาร์ความถี่กลางและต่ำเป็นตัวเลือกที่น่าเชื่อถือกว่า

การใช้งานแบบโฟม

การวัดที่แม่นยำจะทำได้ยากขึ้นเมื่อพื้นผิวถูกปกคลุมด้วยโฟม ด้วยเหตุผลคล้ายกับไอน้ำและการปนเปื้อน คือ โฟมจะดูดซับสัญญาณเรดาร์ เครื่องมือความถี่ต่ำมักจะทำงานได้ดีในกรณีนี้และให้ค่าที่น่าเชื่อถือมากกว่า เนื่องจากคุณสมบัติของโฟมมีความแตกต่างกันมาก ความถี่ต่ำจึงเหมาะกับโฟมที่มีความหนาแน่นสูง เช่น น้ำยาง กากน้ำตาล หรือเบียร์ ในขณะที่ความถี่กลางสามารถรับมือกับโฟมที่เบากว่าได้ ส่วนเครื่องมือความถี่สูงนั้นไม่เหมาะกับงานที่มีโฟมเลย

ถังเก็บของเหลวขนาดใหญ่

การวัดระดับในถังเก็บขนาดใหญ่ เช่น ถังหลังคาลอย บางครั้งทำผ่านท่อส่งของเหลว โดยทั่วไปแล้วเรดาร์ความถี่ต่ำเป็นตัวเลือกที่นิยมใช้มากกว่า เนื่องจากมีความไวต่อการสะสมของสิ่งสกปรกบนผนังท่อและท่อที่ไม่ตรงสมบูรณ์แบบน้อยกว่า เรดาร์ความถี่สูงมักทำงานได้ไม่ดีในระบบนี้ ถังเก็บน้ำมันดิบและผลิตภัณฑ์กลั่นในโรงงานปิโตรเคมีเป็นตัวอย่างคลาสสิกของการใช้เรดาร์ความถี่ต่ำร่วมกับท่อส่งของเหลว

นอกจากนี้ ลม การโป่งพองของถัง เงา และแสงแดด ล้วนสามารถทำให้หลังคาของถังเก็บขนาดใหญ่เคลื่อนตัวได้ เรดาร์ความถี่สูงมีความไวต่อการเอียงแบบนี้มากกว่า เนื่องจากมุมลำแสงแคบ หากแกนของเสาอากาศเบี่ยงเบนออกจากแนวตั้งเพียงเล็กน้อย ก็อาจพลาดสัญญาณสะท้อนไปโดยสิ้นเชิง

การวัดระดับของแข็ง

ความถี่ที่เหมาะสมสำหรับการวัดอนุภาคของแข็งนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน เรดาร์ความถี่กลางและต่ำสามารถจัดการกับอนุภาคของแข็งขนาดใหญ่ ฝุ่น และหยดน้ำได้ ในขณะที่เรดาร์ความถี่สูงทำงานได้ดีกับผงละเอียด ไซโลเก็บเมล็ดพืช และถังเก็บถ่านหินที่มีอนุภาคหยาบและฝุ่นละอองหนาแน่นนั้นเหมาะสมกับเรดาร์ความถี่กลางและต่ำ ในขณะที่ผงละเอียด เช่น แป้งหรือนมผง มักจะวัดได้แม่นยำกว่าด้วยเรดาร์ความถี่สูง การควบแน่นมักเป็นปัญหาสำหรับเรดาร์ความถี่สูง และเมื่อรวมกับของแข็งบางชนิด มันสามารถเร่งการสะสมตัวที่อุดตันรูหัวฉีดขนาดเล็กและปิดกั้นเสาอากาศความถี่สูง ซึ่งมักจะมีขนาดเล็กอยู่แล้ว