Technologia 79 GHz w pomiarach poziomu materiałów sypkich

Rozwój technologii mikrofalowych w ostatniej dekadzie spowodował znaczne poszerzenie możliwości wykorzystania radarów w układach automatyki. Co prawda pierwsze urządzenia do pomiaru poziomu pojawiły się w połowie lat siedemdziesiątych, ale z uwagi na ich cenę oraz skomplikowaną obsługę, a przede wszystkim przeciętne możliwości, mogły być stosowane tylko w przypadku pomiaru cieczy. Poszerzanie zakresu wykorzystania radarów było możliwe dzięki rozwojowi technologii, między innymi zwiększaniu dynamiki sygnału oraz częstotliwości fal, jakie wykorzystują urządzenia.
1991 rok – 6 GHz
Technologie na bazie 6 GHz weszły szerzej na rynek z początkiem lat dziewięćdziesiątych i ujawniły bardzo istotne zalety radaru – metody całkowicie niewrażliwej na zapylenie i dającej możliwość pomiaru mediów o wysokich temperaturach bez utraty dokładności. Ówczesne moduły mikrofalowe miały jednak zbyt mały stosunek sygnału do szumu, aby w każdym przypadku skutecznie oddzielić właściwe echo od szumu. Z tego powodu w praktyce nadal 99% urządzeń było instalowanych na cieczach.
2004… – technologia 26 GHz w materiałach sypkich
W 2004 roku w zakresie pomiarów materiałów sypkich nastąpił oczekiwany przeskok na częstotliwość 26 GHz, znaną już z aplikacji cieczowych. W tym czasie wprowadzono pierwsze dedykowane dla materiałów sypkich sondy radarowe, takie jak np. VEGAPULS 68. Sondy dla materiałów sypkich wymagały znacznie lepszych parametrów z uwagi na rozproszenie wiązki na stożkach usypowych, więc widoczną zmianą było zwiększenie o 30 dB dynamiki sygnału sond. Dynamika sygnału poprawiła również zasięg – z 35 do 70 m. Dzięki większej częstotliwości rozmiary anten zmniejszyły się około trzykrotnie, co w praktyce znacznie ułatwiło montaż. Na przykład antena tubowa DN 80 na 26 GHz miała identyczne skupienie, jak antena DN 250 dla 6 GHz.
Szybkość urządzeń również została poprawiona – z kilkudziesięciu sekund do około 10.
Dobre parametry oraz zdecydowany spadek cen spowodowały faktyczny problem dla producentów sond ultradźwiękowych (wrażliwych na zapylenie) oraz praktyczne „wymieranie” sond elektromechanicznych ze spuszczanym ciężarkiem.
Sondy w technologii 26 GHz są oferowane do dzisiaj z dwoma rodzajami anten: tubową o średnicy 100 mm i kącie 8 stopni, a także paraboliczną o kącie 4 stopni (niestety rozmiar 250 mm). Z uwagi na wymiary koniecznych króćców anteny tubowe są bardzo wygodne w montażu i stały się standardem. Nie zawsze spełniały jednak oczekiwania, jeśli chodzi o wąskie i wysokie zbiorniki lub zbiorniki z konstrukcjami wewnętrznymi, w związku z tym nadal dla pewnej grupy aplikacji konieczne było wykonanie króćców lub włazów o rozmiarze minimum DN 250 dla anten parabolicznych.
Doświadczenie wykazało również, że popularna antena tubowa może być w niekorzystnych warunkach wrażliwa na zanieczyszczenie anteny, co powoduje konieczność stosowania przedmuchu sprężonym powietrzem lub okresowego demontażu i czyszczenia. W związku z tym w 2005 roku pojawiła się wersja sondy VEGAPULS 67 z anteną, której wnętrze jest całkowicie wypełnione tworzywem sztucznym (małe tłumienie) oraz powierzchnią czołową z PP. Kąt wiązki takiej sondy był jednak nieco większy, więc rozwiązanie nadawało się głównie do mniejszych zbiorników o prostej konstrukcji i wysokości do 15 m.
VEGAPULS 69 – 79 GHz pod pokładem
Nadszedł rok 2014 i na rynku pojawiła się sonda pracująca na częstotliwości 79 GHz, zaprojektowana i zbudowana po analizie aplikacji znanych na rynku sond pracujących na niższych częstotliwościach. Urządzenie nie miało być nowością samą w sobie, ale oferować znacznie większe możliwości i łatwość aplikacji w stosunku do aktualnej oferty. Pierwszym założeniem było zbudowanie sondy, która nie tylko mierzy materiały o niskich stałych dielektrycznych, jak popiół, wapno czy klinkier, ale jest także w stanie zmierzyć materiały jeszcze trudniejsze w pomiarze. VEGAPULS 69 to potrafi i może zmierzyć takie materiały, jak PVC, drewno o wilgotności < 2%, mleko w proszku o niskiej zawartości tłuszczu itp. Do tej pory tego typu aplikacje stanowiły głównie domenę sond radarowych z falowodami (kontaktowe). Wymienione media były problematyczne w dwóch przypadkach: dużych zbiorników, np. powyżej 30 m lub dokładnie odwrotnie – bardzo małych zbiorników o wysokości 1–2 m. Sondy o częstotliwości 26 GHz mają bowiem wysoką czułość mniej więcej powyżej 1 m, natomiast w pobliżu anteny ich czułość jest znacznie mniejsza. W przypadku sondy 79 GHz odległość ta została ograniczona zaledwie do około 30 cm. Co więcej, wyższe częstotliwości dopuszczają do montażu urządzenia w kominku o średnicy 80 mm z anteną czołową (płaską), co było bardzo problematyczne wcześniej. Powodem problemów w takich przypadkach jest bowiem znaczny wzrost szumu dla 26 GHz przy zabudowie sondy w kominku (bez możliwości wystawienia końcówki anteny do wnętrza zbiornika). Wzrost poziomu szumu o 10–30 dB często uniemożliwiał do tej pory pomiar mediów o słabych właściwościach dielektrycznych przy odległościach mniejszych niż 1 m.

Drugim założeniem konstrukcyjnym było zbudowanie sondy możliwie niewrażliwej na zabrudzenie anteny, przy uwzględnieniu tego, że w wielu miejscach niemożliwy jest przedmuch anteny sprężonym powietrzem. Po testach odrzucono standardową antenę tubową, a zdecydowano się na antenę soczewkową. Jest to antena, która ma dużą powierzchnię promieniowania i w związku z tym wykazuje bardzo niską czułość na oblepienie. Jednocześnie nie ma elementów wykonanych ze stali, na których łatwo dochodzi do kondensacji pary wodnej – głównej przyczynyproblemów z oblepieniem. Membrany anten wykonano z dwóch materiałów: PP dla wersji ekonomicznej do 80°C oraz z PEEK dla wersji do cięższych aplikacji (z możliwością przedmuchu).
Kolejne nowości to zakres i szybkość działania. Z uwagi na to, że VEGA zdecydowała się na budowę własnego modułu mikrofalowego o dynamice 120 dB, zakres VEGAPULS 69 został rozszerzony do 120 m. W praktyce trudno znaleźć zbiornik wyższy niż 50 m, więc tego typu zaleta może budzić wątpliwości. Dopiero jednak, kiedy połączymy tę wielkość z kolejnym ważnym parametrem, czyli szybkością działania, możemy znaleźć szereg ciekawych, nowych aplikacji do pomiaru odległości. Czas reakcji radaru najczęściej wynosił kilkanaście sekund. Nowy VEGAPULS 69 ma jednak moduł o czasie cyklu pomiarowego 0,7 sekundy, a więc jest alternatywą dla urządzeń laserowych w przypadku występowania mgły lub zapylenia.
Kolejny etap ewolucji
VEGAPULS 69 stanowi kolejny etap w dziedzinie szerszego zastosowania technologii radarowych w przemyśle. Urządzenie jest proste w montażu z uwagi na niewielkie wymagania dotyczące miejsca i króćca pomiarowego. Dzięki nowym rozwiązaniom (m.in. częstotliwości, dynamice sygnału, kątowi wiązki, antenie soczewkowej) sondy radarowe stają się bardzo uniwersalnym urządzeniem. W praktyce oznacza to, że informacja o typie medium i wywody o doborze anten do konkretnego medium odchodzą powoli do lamusa, z wyjątkiem bardzo nietypowych aplikacji.
Oba wykonania sond mają zakres 120 m, czyli wysokość zbiornika również nie jest istotnym parametrem doboru. Programowanie urządzenia jest identyczne jak w poprzednich wersjach i może być wykonane na dwa sposoby, znane z dowolnego urządzenia marki VEGA. Pierwszy to wykorzystanie standardowego modułu VEGI pod nazwą PLICSCOM (nadaje się do wszystkich urządzeń pomiarowych VEGA) bezpośrednio na urządzeniu. Programowanie odbywa się w języku polskim. Drugim rozwiązaniem jest ustawianie za pomocą komunikatora z dowolnym oprogramowaniem wykorzystującym sterowniki DTM (PACTware), EDD, DD.

Mgr inż. Robert Sowa
Introl Sp. z o.o.
http://www.introl.pl/