Aktuální vydání

celé číslo

04

2019

Plnicí a balicí stroje, výrobní logistika a správa skladových zásob

Průmyslové počítače, PLC

celé číslo

Radarové měření výšky hladiny

Automa 6/2001

Martin Šilhavý, Datacon, s. r. o.

Radarové měření výšky hladiny

Teoretické základy radarového měření vzdálenosti byly položeny ve druhé polovině 19. století, použití v praxi se však radar dočkal až v průběhu 2. světové války. Vzhledem k ceně radarové technologie bylo její použití do 70. let omezeno na velmi náročné aplikace. S rozvojem mikroelektroniky však došlo k výraznému zlevnění a nyní představuje radarový princip nejmodernější a nejprogresivnější metodu bezkontaktního snímání výšky hladiny.

Radarem lze spolehlivě měřit výšky hladiny širokého spektra kapalných i pevných látek:

  • kapaliny: voda (bez ohledu na množství páry) a vodní roztoky, kyseliny a zásady, barvy, oleje a další;
  • pevné látky: uhlí a grafit, ruda, slinek, obilí a mouka, celulóza a další.

Naproti tomu radar obtížně měří nevodivé látky s malou permitivitou. Typickým představitelem jsou zkapalněné plyny.

Princip funkce radaru
Radar typu CW (Continuous Wave) je nejběžnějším představitelem radarové technologie. Používá se však pouze pro měření rychlosti, vzdálenost touto metodou měřit nelze. Radarový vysílač emituje elektromagnetické vlnění o konstantní frekvenci, které se od měřeného objektu odráží zpět k přijímači. Vlivem Dopplerova efektu se frekvence odraženého vlnění liší v závislosti na směru a rychlosti pohybu měřeného objektu. Radar typu CW používá např. policie ke zjišťování rychlosti vozidel.

Obr. 1.

Radar typu FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) vysílá elektromagnetické vlnění, jehož frekvence se v určených mezích spojitě mění. Odražené vlnění je zpožděno o dobu nutnou k překonání vzdálenosti k médiu a zpět. V jeden okamžik se tedy vysílaná a přijímaná frekvence liší o rozdíl, který je úměrný vzdálenosti od média. Rozdíl frekvencí se vyhodnocuje složitým matematickým výpočtem pomocí rychlé Fourierovy transformace.

Pulsní radar vysílá směrem k povrchu měřeného média série krátkých impulsů, přijímá jejich odraz a vyhodnocuje dobu nutnou k překonání vzdálenosti k médiu a zpět. Při konstantní rychlosti šíření elektromagnetických vln je tato doba úměrná vzdálenosti od média.

Vliv přenosového prostředí
Narozdíl od ultrazvukového měření nevyžaduje radar transportní médium mezi vysílačem a měřenou látkou, protože se elektromagnetické vlny šíří i ve vakuu. Přesnost radarového měření je málo ovlivněna vlastnostmi prostředí – druhem plynu či páry nad hladinou měřené látky, prachem, nečistotami, teplotou a tlakem. Změna teploty prostředí z 0 °C na 2 000 °C se projeví chybou pouze 0,026 %. Velikost tlaku má nepatrně větší vliv, při tlaku 10 bar je chyba měření menší než 0,3 %, tlak 100 bar způsobí odchylku 2,9 %. Tyto odchylky lze dosti snadno kompenzovat. Přesnost měření navíc není ovlivněna prouděním média v prostoru mezi vysílačem a měřenou látkou.

Radarem je možné měřit hladinu v uzavřené nádrži zvenku – podmínkou je, aby plášť byl vyroben z dielektrického materiálu s malou permitivitou (plast).

Pro ilustraci jsou v tab. 1 uvedeny některé druhy plynů a jim odpovídající systematická chyba měření, způsobená rozdílnou rychlostí šíření elektromagnetických vln oproti vakuu.

Tab. 1. Vliv prostředí na rychlost šíření elektromagnetických vln
Přenosové médium Chemický vzorec Pokles rychlosti šíření elektromagnetických vln (%)
dusík N3 0,001
vodík H2 0,015
metan CH4 0,015
kyslík O2 0,002
argon Ar 0,001
čpavek NH3 0,009
chlor Cl2 0,049
helium He 0,026
vodní pára H2O 0,004

Vliv vlastností měřeného média
Radar spolehlivě měří hladinu elektricky vodivých látek (ocel a ostatní kovy, vodní roztoky atd.), u nevodivých látek je rozhodujícím parametrem relativní permitivita er. Látky s malou permitivitou (er < 2) mají slabý odraz, a proto možnost použít radar je vhodné ověřit zkouškou. Příkladem látek s nízkou permitivitou mohou být uhlovodíky (benzin, nafta).

Při měření sypkých látek je třeba uvážit vliv násypného úhlu a vícenásobných odrazů o stěny zásobníku. Pro instalaci zde platí podobná pravidla jako pro ultrazvukové senzory.

Radary v průmyslové praxi
Pro měření výšky hladiny se v praxi používá více druhů radarů, které se od sebe liší principem (radar FMCW a pulsní radar), frekvencí emitovaných vln (6 GHz a 24 GHz), konstrukcí antény (kuželová, tyčová či planární) a dalšími parametry. Spektrum aplikací sahá od prostého měření hladiny vody v otevřeném profilu po extrémní aplikace s vysokým tlakem a teplotou.

Pro náročnější aplikace se používají radary s kuželovou anténou. Vysílaný paprsek je přesněji zaostřen, vysílaný výkon je soustředěn směrem k měřenému médiu. Běžná kuželová anténa je schopna pracovat v teplotách do 250 °C a tlacích desítek barů, antény speciální konstrukce dovolují použít radar v pro-středí s tlakem až 400 bar a teplotou 1 500 °C (hladina roztavené oceli ve vysoké peci).

Vysílací frekvence radaru má vliv na použitelnost v různých aplikacích. Například radar pracující na frekvenci 6 GHz je vhodný i pro měření hladiny pod řídkou pěnou. Je-li však pěna příliš hustá, odrážejí se vlny od jejího povrchu a radar indikuje vzdálenost od hladiny pěny. Před instalací radaru v takovéto aplikaci je vhodné provést zkoušku.

Radar s vysílací frekvencí 24 GHz má lépe zaostřený paprsek a je vhodný i do úzkých profilů. Další jeho výhodou je menší rozměr antény, a tedy snadnější instalace.

Problematika radarového měření výšky hladiny je velmi široká, a nelze ji tudíž na omezeném prostoru zevrubněji rozebrat. Proto v některém z následujících čísel časopisu Automa uvedeme podrobnější popis vybraných aplikací.

DataCon s. r. o.
Prvního pluku 12a
186 00 Praha 8
tel./fax: 02/231 59 42, 24 81 68 58
e-mail: silhavym@datacon.cz
www.vega.com, www.datacon.cz