Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Přehled trhu: radarové hladinoměry

Pro měření polohy hladiny se využívá mnoho měřicích principů v různých typech hladinoměrů – od jednoduchých, jako je plovák, až po moderní a velmi propracované, mezi něž patří radarové hladinoměry. Právě ty jsou předmětem přehledu trhu, který má posloužit čtenářům k rychlé orientaci v nabídce na trhu. Redakce časopisu Automa požádala výrobce a dodavatele radarových hladinoměrů na českém trhu o údaje charakterizující jejich produkty. S údajů firem, které o tuto prezentaci projevily zájem, byla sestavena tabulka na str. 20 a 21. Každý sloupec tabulky charakterizuje jeden hladinoměr nebo jednu výrobní řadu. Tabulka je uvedena průvodním článkem, který popisuje metody měření používané v radarových hladinoměrech určených do průmyslových provozů.
 

Princip měření

Radarové hladinoměry pracují s mikrovlnným zářením, což je elektromagnetické vlnění o frekvencích 1 až 300 GHz. U radarových hladinoměrů se využívají frekvence v rozmezí 5,8 až 26 GHz. Rychlost šíření mikrovln odpovídá rychlosti světla: ve vakuu je to c ≅ 3·108 m·s–1, v jiných médiích je určena ztahem:
 
v = c/√(εr + μr)
 
kde εr je relativní permitivita, μr relativní permeabilita prostředí.
 
Ve většině případů v praxi je možné počítat s tím, že relativní permeabilita μr plynu nebo kapaliny, kde se vlnění šíří, je rovna jedné, a nemá tedy vliv na rychlost šíření vlnění. Relativní permitivita εr (často označovaná jako dielektrická konstanta) je bezrozměrné číslo charakterizující vlastnosti látky v elektrickém poli. Pro vakuum platí εr = 1; u většiny plynů je permitivita blízká jedné (např. pro vzduch je εr = 1,000 5), a tedy i rychlost šíření elektromagnetických vln je blízká rychlosti jejich šíření ve vakuu. Kapaliny mají permitivitu zpravidla podstatně větší než 1 (obvykle větší než 2, např. voda má εr = 80). U granulátů ovlivňuje hodnotu permitivity prostor vyplněný vzduchem.
 
Kvalita odrazu mikrovln závisí na permitivitě povrchu. Téměř dokonale se vlnění odrazí od kovového povrchu hladiny dobře vodivé kapaliny, kyseliny, solného roztoku apod. Při dopadu mikrovlnného záření na elektricky vodivý povrch dojde ke zkratu elektrického pole a vlnění je účinně odraženo. U elektricky nevodivých kapalin (např. ropné produkty, uhlovodíky a další organické látky) záleží účinnost odrazu významně na hodnotě relativní permitivity média. V případě kapaliny o permitivitě εr = 3,5 se odrazí od hladiny kapaliny asi 10 %, při εr = 1,5 se odrazí jen asi 1 % výkonu dopadajícího záření. Při posuzování možnosti použít radar k měření hladiny má tedy hodnota εr měřeného média zásadní význam.
 
Hodnota εrklesá s rostoucí frekvencí mikrovlnného záření, a tak je důležitým krokem i výběr správné frekvence. Vyšší frekvence znamená menší vlnovou délku, což činí senzor citlivějším k negativním vlivům, jako jsou páry, pěna (nad 25 GHz vede i malé množství par ke značné absorpci signálu). Naproti tomu menší frekvence, tj. větší vlnová délka, znamená větší úhel rozptylu s následnou řadou rušivých odrazů od stěn nádrže, míchadel apod.
 

Členění podle principu

Radarové hladinoměry lze rozdělit na dvě skupiny, a sice na bezkontaktní a kontaktní. U bezkontaktních radarových hladinoměrů se mikrovlny šíří plynným prostředím nad hladinou měřeného média a k měření se využívá jednak pulzní časová metoda a jednak frekvenční metoda. U kontaktních hladinoměrů se mikrovlny šíří vlnovodem, který je ve styku s měřeným médiem.
 

Bezkontaktní radarové hladinoměry

Pulzní radarový hladinoměr pracuje s krátkými mikrovlnnými impulzy s frekvencí např. 6 GHz a s dobou trvání asi 1 ns, které jsou pomocí antény vysílány směrem k hladině měřeného média (obr. 1). Na hladině se vlna částečně odrazí zpět k vysílači a částečně prochází do druhého prostředí. Měří se čas potřebný k průchodu elektromagnetických vln z vysílače k hladině (t1) a zpět k přijímači (t2). Podle této doby je metoda označována jako TOF (Time Of Flight). Z doby, která uplyne mezi vysláním a přijetím elektromagnetické vlny (t = t1 + t2), se stanovuje poloha hladiny h podle vzorce (viz obr. 1):
 
h = Lmaxc(t/2)
 
kde c je rychlost světla, Lmax vzdálenost antény hladinoměru ode dna nádrže.
 
Další vysílaný impulz následuje po přestávce, která je potřebná pro příjem odražené vlny (tzv. echa). Po dobu přestávky je vysílač přepnut do funkce přijímače. Jedna perioda měření trvá řádově 10–6 s. Při technické realizaci tohoto principu se naráží na problémy měření velmi krátkých úseků času. Při požadavku měřit polohu hladiny s chybou menší než 1 mm je nutné měřit čas s rozlišením 6·10–12 s.
 
Vzhledem k vysokým požadavkům na přesnost měření času u pulzního radaru je vhodnější hladinoměr s rozmítaným spojitým signálem. Tento radar využívá frekvenční metodu, která je založena na vysílání spojitého signálu s proměnnou frekvencí (FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave). Vysílaný signál je modulován obvykle pilovitě tak, že mění plynule svoji frekvenci v určitém pásmu, např. od 24 do 26 GHz (obr. 2). Ze známé rychlosti přelaďování a změřených hodnot frekvencí vyslaného a přijatého signálu je možné vypočítat vzdálenost odpovídající poloze hladiny. Odražené vlny se vracejí k přijímači se zpožděním v závislosti na poloze hladiny. S ohledem na proměnnou frekvenci vysílače je frekvence přijímaného signálu odlišná od právě vysílané frekvence. Ze zjištěného rozdílu frekvencí Δf se stanoví odpovídající časový interval (Δt) a vypočítá se vzdálenost hladiny. Hlavní předností frekvenční metody je, že rozdíl frekvencí (řádově v kHz) lze stanovit velmi přesně, a to umožňuje stanovit polohu hladiny s přesností až ±1 mm. Radarový hladinoměr využívající metodu FMCW je o něco složitější a nákladnější než pulzní hladinoměr.
 

Kontaktní hladinoměry

Zvláštní skupinu mezi radarovými hladinoměry tvoří kontaktní reflektometrické hladinoměry. Využívají šíření mikrovlnného impulzu po vlnovodu instalovaném v nádrži; může jít o koaxiální kabel, jednu nebo dvě tyče nebo lano, popř. opatřené teflonovým povlakem. Funkce reflektometrického hladinoměru vychází ze skutečnosti, že pokud není vedení zakončeno charakteristickou impedancí, odráží se přenášený signál v rovině hladiny, přičemž intenzita odraženého signálu závisí na permitivitě média. U látek s vyšší permitivitou (εr > 1,8) je možné měřit přímo časový rozdíl mezi vysláním impulzu (t0) a přijetím impulzu odraženého v místě polohy hladiny (t1). Tento princip se označuje jako TDR – Time Domain Reflection.
Metodu lze použít i k měření rozhraní dvou kapalin (obr. 3). Permitivita horní kapaliny (ε1) musí být známa a její hodnota menší než u dolní kapaliny (ε2).
 
U látek s velmi malou permitivitou (εr < 1,8) vzniká v místě hladiny jen slabý odraz, který se obtížně vyhodnocuje. K většímu odrazu dochází až u dna nádrže. Při měření času se však dno jeví ve větší vzdálenosti vzhledem k tomu, že signál se v kapalině šíří pomaleji. Nárůst doby návratu odražené vlny oproti jejímu návratu v prázdné nádrži je úměrný výšce vrstvy kapaliny. Pro výpočet polohy hladiny musí být známa hodnota permitivity média. Tato metoda měření se nazývá TBF – Tank Bottom Following. Signál reflektometrického radaru není ovlivňován falešnými odrazy ani přítomností prachu, par nebo pěny. Nevýhodou je kontakt antény s měřeným médiem.
 

Závěr

Moderní radarové hladinoměry vykazují velmi příznivé funkční vlastnosti a poskytují široké možnosti využití v průmyslové praxi. Současný vývoj v elektronice a výpočetní technice přispívá i k příznivější ceně těchto snímačů. Na českém trhu je možné vybírat z pestré nabídky radarových hladinoměrů. To dosvědčuje tabulka přehledu trhu uvedená na str. 20 a 21. Poděkování redakce patří všem společnostem, které se rozhodly uvést své výrobky v tomto přehledu a umožnily časopisu Automa zmapovat zmíněnou oblast trhu.
 
Literatura:
[1] ĎAĎO, S. – BEJČEK, L. – PLATIL, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. BEN Praha, 2005.
[2] KADLEC, K.: Snímače polohy hladiny. Automa, 2005, č. 5 a 6.
 
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
VŠCHT Praha
 
Obr. 1. Pulzní metoda TOF měření polohy hladiny
Obr. 2. Průběh vysílaného a přijímaného signálu u frekvenční metody FMCW k měření polohy hladiny
Obr. 3. Měření rozhraní dvou kapalin metodou TDR
 
Tab. 1. Zkratky použité v tabulce přehledu trhu radarových hladinoměrů