white space

Radarsensoren

1 Voorwoord

In het kader van de stage die ik loop bij de Ytong schrijf ik dit verslag over radarsensoren Ik heb gekozen voor radarsensoren omdat deze vorm van detecteren nog vrij onbekend is en ik er wel wat meer van zou willen weten.

Ik zal in dit verslag bespreken hoe de radarsensor werkt, wat de toepassingen zijn en ik zal de voor en nadelen bespreken.

2 Inleiding

De radarsensor wordt gebruik voor het uitvoeren van niveaumetingen in silo’s en tanks. De radarsensor zendt een radarpuls uit die door de te meten stof gereflecteerd wordt en vervolgens weer door de radarsensor ontvangen wordt. Dit alles gebeurt in een fractie van een seconde. Om deze meetgegevens supersnel te kunnen verwerken wordt er gebruik gemaakt van speciaal hiervoor ontworpen software.

Er zijn verschillende types radarsensoren verkrijgbaar, zo zijn er vier verschillende soorten antennes die ieder voor een ander doeleinde gebruikt kunnen worden.

De radarsensor kan ook in verschillende systemen toegepast worden zoals in een stand-alone systeem, aangesloten op een PLC of in een bussysteem.

3 Wat zijn radarsensoren

Radarsensoren worden gebruikt voor het zonder contact te maken, uitvoeren van niveaumetingen. De gemeten afstand komt hierbij overeen met de hoogte tot waar de tank gevuld is. Het meetprincipe is gebaseerd op uitzenden, reflecteren en ontvangen.

Er worden hele kleine radarsignalen van 5.8 GHz als korte pulsen uitgezonden vanuit de antenne van de radarsensor. De radarpulsen die door de sensoromgeving en het product worden gereflecteerd worden ontvangen door de antenne als radarecho’s. De looptijd van de radarpulsen van zending tot ontvangst is in verhouding tot de afstand die vervolgens weer in verhouding is tot het niveau.


Figuur 1: emission, reflection, reception

De radarpulsen worden door de antenne als puls pakketjes met een periodetijd van 1 ns en een interval van 278 ns verzonden. Dit komt overeen met een pulspakket frequentie van 3.6 MHz. In de puls intervals opereert het antennesysteem als ontvanger. Signaallooptijden van minder dan een biljoenste van een seconde moeten verwerkt worden en het echo figuur moet in een fractie van een seconde geëvalueerd worden.


Figuur 2: Pulse sequense

Radarsensoren kunnen dit doen door een speciale procedure van tijdverandering, die de tijd uitspreid in een slow motion figuur en vervolgens bevriest en verwerkt.


Figuur 3: time transformation

Het is voor de radarsensoren mogelijk om het slowmotion figuur van de sensoromgeving, precies in cyclus van 0.5 tot 1 sec, te verwerken. En dit zonder gebruik te maken van veel tijd verbruikende frequentie-analyses. Doordat radarpulsen niet afhankelijk zijn van een geleidende stof, ze zich uitspreiden als licht en zich voortbewegen op de snelheid van licht kunnen radarsignalen natuurlijke eigenschappen gelijk aan die van zichtbaar licht weergeven. Radarsignalen reageren op twee elektrische eigenschappen:

  • De elektrische lading van een stof
  • De diëlektrische constante van een stof

Alle producten die een elektrische lading hebben reflecteren radarstralen goed. Ook producten die minder goed geleiden zijn voldoende reflecterend om gemeten te worden. Alle producten met een diëlektrische constante (ε) van meer dan 1,5 reflecteren radarpulsen. De signaalreflectie neemt toe met de geleiding of met de diëlektrische constante van het product. Vandaar dat bijna alle stoffen gemeten kunnen worden.


Figuur 4: Reflected radar power dependent on the dielectric
                constant of the measured product

Met een standaard flens van DN 50 tot DN 250 kan de radarsensor bij verschillende meetsystemen toegepast worden. De hoge kwaliteit van het materiaal kan ook extreme chemische en weersomstandigheden doorstaan. Onafhankelijk van de temperatuur, druk en de atmosfeer worden radarsensoren gebruikt voor snelle en betrouwbare niveaumetingen van allerlei producten.


Figuur 5a en b

De radarsensor kan zowel een digitale als een analoge uitgang hebben en kan direct op een PLC aangesloten worden.

4 Antennes

De antenne is het oog van de radarsensor. De vorm van de antenne bepaald hoe gevoelig hij is. Er zijn vier verschillede antennesystemen beschikbaar voor verschillende applicaties en processen. Afgezien van zijn eigen focuskarakteristieken is elk systeem anders in zijn chemische en natuurlijke instellingen.

4.1 Staafantenne


Figuur 5: staafantenne
Staafantennes met een hoge chemische weerstand hebben een kleine flens diameter. De antenne staaf en de vloeiende flens onderdelen zijn van PTFE, PP of PPS gemaakt zodat de staaf antenne makkelijk schoongemaakt kan worden. De staafantenne is beschikbaar voor een druk tot 16 bar en een temperatuur tot 150°.
   


4.2 Hoornantenne


Figuur 6: hoornantenne
Hoorn antennes zijn geschikt voor de meeste doeleinden. Ze focussen de radar signalen heel goed. De antennes zijn gemaakt van puur staal, ze zijn ruw en hebben een hoge natuurlijke en chemische weerstand. Ze zijn geschikt voor een druk tot 40 bar en voor temperaturen tot 150°
    

4.3 Pijpantennes


Figuur 7a: pijpantenne
De pijpantennes op een omleiding buis vormen alleen een compleet antenne systeem in combinatie met een meetpijp die ook gedraaid kan zijn. Pijpantennes zijn speciaal ontworpen voor producten met een lage diëlektrische constante. De antenne is beschikbaar met en zonder hoorn. Versies met hoorn worden gekenmerkt door een extra goed meetresultaat. Er kunnen goede resultaten behaald worden ook bij producten met slechte reflectie eigenschappen.

Figuur 7b: pijpantenne
De meet pijp gedraagt zich als een geleider voor radarsignalen. De looptijd van de radarsignalen veranderd in de buis en is afhankelijk van de buisdiameter. De buis binnendiameter moet zo in de sensor geprogrammeerd worden dat het wijzigingen in de looptijd kan nemen en zo nauwkeurige niveaumetingen kan doen.

5 Uitvoeringen

5.1 Stand-alone

De radarsensor kan gebruikt worden in een tank een omleiding of in de vrije ruimte. De radarsensor heeft een uitgangsspanning van 4 tot 20 mA.

5.2 4-20 mA uitgang met HART protocol

Het complete meetsysteem bestaat uit:


Figuur 8: onderdelen meetsysteem

5.3 On-site operatie

  • Display en operatie module
  • Met PC, communicatiebox en operatiesoftware

5.4 Bediening op afstand

  • PC, communicatiebox en software
  • HART afstandsbediening

5.5 Systeemintegratie via Profibus

Een maximum van 32 zenders kunnen met de bus verbonden worden, dit kan bij zowel on-site bediening als bij bediening op afstand.


Figuur 9: Profibus met modules

5.6 Systeemintegratie via Fieldbus

Een maximum van 32 zenders kan met de bus verbonden worden, dit kan bij zowel on-site bediening als bij bediening op afstand.


Figuur 10: Fieldbus met modules

5.7 Systeemintegratie via Rackbus.

Bij systeemintegratie via Rackbus moet elke HART zender moet op 1 interface module aangesloten worden en on-site en bediening op afstand zijn beide mogelijk.


Figuur 11: Rackbus met modulen

6 Ingang

6.1 Vaste variabele

De vaste variabele is de afstand tussen het referentiepunt en het oppervlak. Het niveau wordt vervolgens berekend op basis van de ingevoerde tankhoogte.

Het niveau kan ook geconverteerd worden naar andere units voor het bepalen van bijvoorbeeld het volume of de massa.

6.2 Meetbereik

Het bruikbare meetbereik is afhankelijk van de grootte van de antenne, de reflecteerbaarheid van de stof, de plaatsing en de reflectie op de wand. De onderstaande tabbellen laten zien welke diëlektrische constante er bij welke productklasse hoort.

Meetbereik afhankelijk van het type materiaal en condities

6.3 Meetconditie

Het meetbereik van de sensor begint waar de straal de bodem van de tank raakt. Wanneer de bodem door de stof heen niet zichtbaar is of wanner er een holle bodem in de tank zit kan het niveau niet onder het laagst zichtbare punt bepaald worden.

Wanneer er stoffen met een lage diëlektrische constante (groep A en B) zijn en de tankbodem voor de sensor alleen zichtbaar is bij de lage niveaus is het aan te raden het nul punt de verhogen om altijd een goede meting te krijgen.

In principe is het mogelijk om tot het puntje van de antenne te meten maar omdat er dan roest kan ontstaan, is het beter om tot maximaal 50 mm van af de punt van de antenne te meten. Als laatste is het belangrijk dat de tankdiameter niet groter is dan de tankhoogte.


Figuur 12: meetconditie

7 Behuizing

Er zijn 2 soorten behuizing beschikbaar:

  • Behuizing met een extra afgesloten terminal deel
  • Behuizing met gescheiden terminal gedeelte

Figuur 13: behuizingen

8 Installatie

8.1 Plaatsing

Het wordt aangeraden de radarsensor te plaatsen op 1/6 van de tankdiameter. De sensor mag in ieder geval niet in het midden van de tank en boven de vulpijp geplaatst worden.


Figuur 14: plaatsing

8.1.1 Optimalisatie

Om de meting de optimaliseren kunnen de volgende dingen gedaan worden:

  • De maat van de antenne, hoe groter de antenne, hoe kleiner de stralingshoek en hoe minder storing er optreed door echo’s
  • De meting kan geoptimaliseerd worden door elektronische onderdrukking van de echo’s
  • Een goede plaatsing van de antenne

8.2 Stralingshoek

De stralingshoek (α) is de hoek waar de dichtheid van de radar golven de helft van de maximale energiedichtheid bereikt. Microstralen worden ook buiten het stralingssignaal uitgestraald en kunnen zo gereflecteerd worden dat ze storend optreden. De stralingshoek is afhankelijk van het type en de grootte van de antenne.

8.3 Optimale plaatsingspositie


Figuur 15: optimale plaatsingspositie

8.3.1 Standaard installatie

 


Figuur 16: standaard installatie

De marker is recht gezet naar de tankwand. De marker zit altijd midden tussen de twee boutgaten in de flens. Na het monteren kan de behuizing 350° gedraaid worden om makkelijker bij het display en terminal deel te kunnen. De hoorn antenne moet onder de tuit geplaatst worden anders moet de antenne uitvoering gebruikt worden.

Wanneer er gebruik gemaakt wordt van de uitvoering met de geëmailleerde antenne moet er goed op gelet worden dat de antenne niet beschadigd.

8.3.2 Speciale antennes

 

Figuur 17: speciale antennes

 

Er zijn ook gebogen uitvoeringen van antennes beschikbaar die voor plaatsing in een schuine of verticale wand gebruikt kunnen worden.

Deze antennes zijn verkrijgbaar vanaf een straal van 300 mm.

 

8.3.3 Metingen door plastic

 

Figuur 18: meting door plastic

Er kunnen ook metingen gedaan worden door een plastic wand, de diëlektrische constante moet hiervoor wel groter dan 10 zijn. Verder mag het niveau niet hoger dan 15 cm zijn en de afstand niet groter dan 100 mm.

Indien mogelijk moet montage in vochtige ruimtes voorkomen worden en wanneer de antenne buiten gemonteerd wordt moet de antenne goed tegen het weer beschermd worden.

De optimale hoek (β) ligt tussen de 15 en 20 graden. Het plastic moet een zo laag mogelijke diëlektrische constante hebben en een daarbij horende dikte, zodat er makkelijk doorheen gemeten kan worden.

In de onderstaande tabel staat beschreven van welke diktes er van een bepaald materiaal gebruikt mogen worden.


Figuur 19: te gebruiken materiaaldikten

9 Voor-en nadelen

Voordelen:

  • Het meetresultaat wordt bijna niet beïnvloed door temperatuur (< 0,015 %/ 10 K)
  • Wordt niet beïnvloed druk en gassamenstelling
  • Metingen worden gedaan in een fractie van een seconde
  • Tot op 1mm nauwkeurig
  • Werk tot en druk van 64 bar en temperaturen boven 1000°C
  • Meetbereik van 35 m
  • Slagvaste behuizing
  • Digitaal meetsignaal voor bijvoorbeeld bussysteem of analoog meetsignaal voor PLC
  • Kan met pc op iedere gewenste plek uitgelezen worden

Nadelen:

  • Duur
  • Radarpuls is gevoelig voor storing.

10 Tot Slot

Radarsensoren worden gebruikt voor niveaumeting in silo’s of tanks en zijn een goed alternatief voor de capacitieve niveaumeting. Omdat de radarsensor heel precies kan meten is hij geschikt voor gebruik bij het meten van vloeistoffen en vaste stoffen.

Doordat de radarsensor beschikt over zowel een analoge als een digitale uitgang kan hij vrijwel overal toegepast worden. Nadeel van de radarsensor is dat hij duur en gevoelig voor storingen is, dit valt naar mijn mening weg tegen de goede meetresultaten die ermee behaald kunnen worden.

11 Literatuuropgave

  • Operating instructiuns Vegapuls 51k…54K, Vega
  • Technical information Level radar micro pilot M, Endress + Hauser
  • Catalogus 2001-2002, Enress + Hauser