Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Radarový hladinoměr Optiwave

číslo 10/2005

Radarový hladinoměr Optiwave

Před rokem byl na světový trh uveden nový radarový hladinoměr firmy Krohne, Optiwave 7300C (obr. 1). Využívá, stejně jako všechny předchozí radarové hladinoměry této firmy, měřicí princip založený na rozmítaném spojitém radarovém signálu s frekvenční modulací (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave). Tisíce úspěšných aplikací potvrzují správnost technického řešení tohoto hladinoměru. Lze je shrnout do těchto hlavních bodů:

  • pracovní frekvence 25 GHz,

  • šířka pásma 2 GHz,

  • dynamický rozsah přijímaného signálu 100 dB,

  • velmi stabilní vysílací frekvence řízená krystalem v průběhu celého přeběhu vysílaného signálu,

  • extrémně výkonný procesor zajišťující rychlé a přesné zpracování přijímaného signálu podle sofistikovaných algoritmů, a tím i rychlou odezvu hladinoměru.

Obr. 1.

Obr. 1. Hladinoměr Optiwave 7300C s přírubou DN40

V dalších odstavcích autoři přibližují čtenářům uvedené body řešení, neboť ty se rozhodujícím způsobem podílejí na výhodách, jež přináší využití radarového hladinoměru Optiwave.

Pracovní frekvence 25 GHz

Pracovní frekvence 25 GHz umožňuje vynikající směrování mikrovlnného signálu k měřené hladině. Anténa se vyznačuje velkým ziskem při malých rozměrech. To rovněž znamená, že vlastní instalace radarového hladinoměru není ovlivněna vnitřní zástavbou v zásobníku (topné hady, míchadla apod.). Proces měření je tudíž stabilní a je charakteristický velkou přesností i při velmi malých hodnotách poměrné permitivity měřené kapaliny.

Šířka pásma 2 GHz

Šířka pásma 2 GHz je velmi podstatná pro přesné a stabilní měření. Šířce pásma je totiž úměrné rozlišení radarového hladinoměru. Velká šířka pásma přináší totéž, co u pulsních radarů konkurenčních výrobců efektivní šířka impulsu, kterou je pro dosažení přesného měření třeba udržovat pokud možno velmi malou.

Velká šířka pásma dává radarovému hladinoměru pracujícímu na principu FMCW schopnost dobře odlišit užitečný signál od rušivého pozadí a současně dosáhnout velké přesnosti měření polohy hladiny. Přispívá rovněž ke zlepšení stability měření a omezuje tzv. mrtvou zónu u příruby hladinoměru, v níž není možné detekovat polohu hladiny.

Dynamického rozsahu (poměru mezi nejsilnějším a nejslabším odraženým signálem, které je možné spolehlivě zpracovat) více než 100 dB nelze dosáhnout jinak než pomocí FMCW. Uvědomme si, že 100 dB znamená, že mezi výkonem nejslabšího a nejsilnějšího signálu je poměr 1010 : 1! Dynamický rozsah nejlepších pulsních radarových hladinoměrů na trhu je o více než 30 dB menší než dynamický rozsah radarového hladinoměru Krohne Optiwave. To znamená, že radarový hladinoměr Krohne Optiwave může spolehlivě zpracovat signály, které jsou tisíckrát slabší než signály, jež mohou být spolehlivě zpracovány nejlepšími pulsními radarovými hladinoměry. To pro uživatele znamená: měření hladinoměrem Optiwave je velmi stabilní a spolehlivé i v případě, že měřená kapalina má velmi malou hodnotu poměrné permitivity, což způsobuje, že odražený signál má velmi malou energii. Při srovnání např. intenzity odraženého signálu od hladiny kapalin o poměrné permitivitě er = 2 a er = 1,2 se dojde k rozdílu 11,5 dB; to znamená, že signál odražený od kapaliny s menší hodnotou poměrné permitivity má čtrnáctkrát menší intenzitu. Použije-li se radarový hladinoměr Optiwave pro měření polohy hladiny kapaliny s malou poměrnou permitivitou, pracuje hladinoměr s velkou rezervou – přesnost a stabilita měření zůstávají zachovány i při velmi malé intenzitě odraženého signálu. Pulsní radary s podstatně menším dynamickým rozsahem v tomto případě pracují na mezi svých možností. To se může projevit zejména zhoršením přesnosti, popř. i výpadky měření.

Velmi stabilní frekvence generovaného signálu

Velmi stabilní frekvence generovaného signálu po celou dobu přeběhu (změny vysílací frekvence z 24 na 26 GHz v průběhu každého měřicího cyklu) je u hladinoměrů, které využívají měřicí princip FMCW, velmi důležitá pro dosažení velké přesnosti měření polohy hladiny. Vynikající stability frekvence bylo u radarového hladinoměru Krohne Optiwave dosaženo použitím dvou smyček s fázovým závěsem, které jsou řízeny nadřazeným velmi přesným krystalovým oscilátorem. To znamená, že při sledování stabilní hladiny nepřesnost vznikající „chvěním„ vysílací frekvence je menší než 50 µm. Uživatel se může sám přesvědčit, že při neměnné poloze hladiny je hodnota na displeji stabilní i s minimální nastavitelnou hodnotou časové konstanty a s maximálním možným rozlišením. Vyhodnocovací algoritmy tedy nemusejí zasahovat do této sféry práce hladinoměru Optiwave a doba odezvy je plně srovnatelná s dobou odezvy nejrychlejších pulsních radarových hladinoměrů.

Dokonalé řízení generovaného signálu rovněž umožňuje nastavit menší šířku pásma pro provozování radarového hladinoměru Optiwave ve volném prostoru, např. pro měření výšky hladiny v jímkách a otevřených zásobnících. V tomto případě se využívá pásmo ISM (Industrial, Scientific and Medical) při nepatrném zhoršení přesnosti měření. Nejlepší radarové hladinoměry využívající pulsní princip měření zdaleka nedosahují tak dokonalého řízení šířky impulsů, což se projevuje zhoršením jejich přesnosti a dlouhou dobou odezvy zejména v obtížnějších aplikacích.

Výkonný signálový procesor

Pro řízení procesu generování a vyhodnocení signálu byl v radarovém hladinoměru Optiwave použit vysoce výkonný signálový procesor s obrovskou výpočetní kapacitou. Pro zpracování měřených hodnot je využívána Fourierova transformace mezifrekvenčního signálu spolu se sofistikovanými algoritmy pro další zpracování. V přístroji je implementován vnitřní kalibrační algoritmus, využívající interní odrazy pro kontrolou správnosti vyhodnocení signálu a popř. korekci systematických chyb.

Použití nejmodernějšího procesoru pro zpracování signálu umožňuje využít všechny výhody plynoucí z použití propracovaných algoritmů pro zpracování signálu a dosáhnout rychlé odezvy, velké stability měření a současně malé spotřeby energie.

Hladinoměr je napájen po proudové smyčce a je koncipován jako jiskrově bezpečný, popř. s vestavěnou Zenerovou bariérou jako nevýbušný v provedení pevný závěr.

Literatura:
[1] BRUMBI, D.: Základy radarové techniky pro měření výšky hladiny. Automatizace, 1999, ročník 42, č. 6–12, 2000, ročník 43, č. 1–3 (seriál na pokračování).

Thomas Musch, Krohne Messtechnik GmbH, Co. KG,
Petr Komp, Krohne CZ spol. s r. o.

KROHNE CZ spol. s r. o.
Soběšická 156
638 00 Brno
tel.: 545 532 111
fax: 545 220 093
e-mail: brno@krohne.cz
http://www.krohne.cz