Există o tendință de a pune în opoziție senzorii cu ultrasunete și senzorii radar, deși în realitate, fiecare senzor are avantaje și dezavantaje care oferă fiecărui senzor locul său. Analizând diferențele în modul în care funcționează aceste două tehnologii se pot acoperi aplicațiile pentru care fiecare senzor este cel mai potrivit. Aplicațiile cele mai des întâlnite sunt măsurarea distanței față de obiecte, în particular măsurarea nivelului.
SENSORI DE NIVEL CU ULTRASUNETE
După cum arată și numele, senzorii de nivel cu ultrasunete funcționează prin emiterea unei explozii (burst) de unde sonore în succesiune foarte rapidă. Undele sonore emise de senzor se deplasează cu o viteză cunoscută (la 0°C viteza sunetului este de 331,5 m/s) direcționate spre o țintă și au reflexii ce revin la senzor.
Folosind timpul necesar pentru ca sunetul să revină la senzor după ce a fost trimis, se calculează distanța dintre senzor și substanța măsurată, respectiv nivelul substanței. Cu ajutorul altor parametri programați în senzor sau în sistemul de control, volumul, greutatea sau alte măsurători similare pot fi, de asemenea, calculate din distanța măsurată.
Pentru a determina cu exactitate nivelul substanței țintă, senzorii cu ultrasunete necesită o coloană de aer neobstrucționată între senzor și țintă. Lucruri precum obstacole fizice: spumă excesivă, vapori grei, praf gros și pulberi ușoare pot devia sau absorbi semnalul sau pot acționa ca o suprafață falsă, ducând la citiri eronate de la senzorul ultrasonic. Fluctuații în mediu de transmitere: temperatura și presiunea au efect asupra undelor, deci a măsurătorilor.
UTILIZĂRI ALE SENSORILOR ULTRASONICI
Măsurarea nivelului unui lichid
Senzorii cu ultrasunete sunt utilizați cel mai frecvent pentru măsurarea nivelului într-un corp cu lichid (rezervor, bazin, lac). Senzorii de nivel cu ultrasunete pot fi utilizați și pentru a măsura volumul lichidului în recipiente cu forme neliniare (conice, sferice). Nivelul se obține cu o diagramă de calcul pentru a corela citirea la forma volumului, pe măsură ce lichidul crește și scade.
Măsurarea nivelului solidelor
Senzorii cu ultrasunete sunt o alegere excelentă pentru măsurarea nivelului solidelor, în comparație cu senzorii de nivel radar. Undele sonore ultrasonice sunt mult mai ușor de gestionat și măsurat decât undele electromagnetice ale radarului atunci când revin de pe o substanță cu un unghi de repaus. De reținut că mediile cu praf sau pulberi împrăștie undele sonore, ducând la citiri eronate. Un senzor cu ultrasunete cu o gamă adecvată într-un mediu cu puține particule în aer va oferi o măsurare extrem de fiabilă a nivelului de solide (exemplu silozuri cu granule de materiale).
Flux în canal deschis
Fluxul în canal deschis este o altă aplicație a unui senzor de nivel ultrasonic. Canalele deschise sunt un mijloc principal de transport, utilizate în stațiile de tratare a apei, monitorizarea mediului și canalele de irigare. Adesea, în acest tip de aplicație, senzorii de nivel cu ultrasunete sunt cuplați cu un controler pentru calcule ale debitului.
Detecția prezenței și profilarea obiectului
Senzorii cu ultrasunete se potrivesc perfect pentru detectarea prezenței și profilarea obiectelor. Dacă detectarea obiectelor este necesară în medii murdare sau umede în care țintele se mișcă destul de lent, se poate utiliza un senzor ultrasonic. Sunt capabili să facă față condițiilor dure, fiind o alegere potrivită.
Domeniul de spălătorie auto este exemplul perfect de utilizare a senzorilor cu ultrasunete pentru a controla procesele eficient.
SENSORI DE NIVEL RADAR
Senzorii radar lucrează cu unde electromagnetice. Aceasta este diferența cheie dintre senzorii cu ultrasunete și cei radar. La fel ca undele de la senzorii cu ultrasunete, undele emise de senzorul radar sunt reflectate de obiecte și călătoresc cu o viteză cunoscută (aprox. 300.000 km/s), mult mai rapid decât undele ultrasonice. Spre deosebire de undele ultrasonice, undele electromagnetice ale radarului reacționează diferit la anumite materiale pe măsură ce sunt reflectate de pe suprafață.
Principiul de funcționare al transmițătorului de nivel radar. Transmițătoarele de nivel radar măsoară distanța de la transmițător la suprafața fluidului prin măsurarea timpului de parcurs al unei unde radio de înaltă frecvență, de obicei în intervalul de frecvență a microundelor – GHz. Distanța de la transmițător la suprafața fluidului este scăzută din adâncimea rezervorului pentru a da nivelul lichidului.
Senzorii radar sunt afectați de variabile diferite decât alți senzori de nivel. Transmițătoarele de nivel radar sunt afectate mai puțin de temperatură decât senzorii cu ultrasunete, îmbunătățind stabilitatea și acuratețea. Senzorii de nivel radar sunt, de asemenea, potriviți pentru aplicații speciale, cum ar fi lucrul în vid sau la presiuni mai mari. Senzorii radar sunt mai puțin afectați de spumă, vapori, pulberi și praf care pot interfera cu semnalele senzorilor ultrasonici și pot duce la citiri eronate. Acest lucru poate face din senzorii radar o alegere mai bună pentru aceste aplicații.
Constanta dielectrică a materialului țintă este un factor important pentru senzorii radar. Cu cât este mai mare constanta dielectrică, cu atât este mai ușor pentru semnalul cu microunde să se reflecte. Gândiți-vă la o minge care sare pe o suprafață tare față de o suprafață moale și mai puțin densă. Prin urmare, constanta dielectrică a suportului este importantă, deoarece ajută semnalul de microunde să se reflecte în mod eficient de suport și să revină la senzor. Un dielectric scăzut nu va reflecta o undă electromagnetică, așa că undele radar tind să treacă direct. Aceste materiale sunt, de obicei, neconductoare și au un conținut scăzut de umiditate, cum ar fi pereții cu plăci din rigips, pulberile și granulele uscate.
Radarul poate detecta multe dintre aceste materiale, dar energia undelor care se întorc este atât de mică încât alinierea precisă cu semnalul este primordială. Acest lucru introduce tehnici precum radar cu undă ghidată sau antenă specială. Măsurarea materialelor cu o constantă dielectrică scăzută nu este întotdeauna imposibilă, ci doar foarte dificilă.
Cele mai comune aplicații pentru senzorii radar sunt:
- Chimie/Petrochimie
- Energie
- Fabrici de mâncare și băuturi
- Solide granulare
- Pelete de plastic
- Minerale și minerit
- Produse petroliere
- Rezervoare cu asfalt
- Farmaceutică
- Celuloză și hârtie
- Nisip și pietriș
- Decantoare
- Ape uzate
- Nămoluri din epurare
CONCLUZII: ULTRASONIC vs. RADAR
Dacă aplicația este simplă, senzorii cu ultrasunete sunt o alegere bună pentru performanță de calitate și longevitate excelentă. Pentru rezervoare, puțuri, canale sau rezervoare, un senzor ultrasonic poate fi configurat pentru a satisface cerințele.
Cu toate acestea, dacă spuma, vaporii, pulberea, praful sunt prezente în mediul de lucru, senzorii radar devin răspunsul la cerințele de măsurare corectă. Variabilele de mediu nu afectează măsurătorile radar așa cum o fac la senzorii ultrasonici.
Să reținem că tehnologia bună va învinge întotdeauna tehnologia proastă. Da, senzorii radar sunt mai buni decât senzorii cu ultrasunete în aplicații spumante, cu praf, dar un senzor radar ales prost va funcționa întotdeauna prost. În mod similar, senzorii cu ultrasunete sunt de obicei mai ieftini decât radarul pentru măsurarea mai ușoară a nivelului de lichide sau solide în aer curat, dar un ultrasonic ieftin nu va fi niciodată mai bun decât un radar ieftin. Senzorii cu ultrasunete și radar nu concurează între ei, ci se completează. Nici una nu reprezintă o soluție unică de măsurare a nivelului.
AVANTAJELE SENZORILOR RADAR PENTRU APLICAȚIILE INDUSTRIALE
Banda de 75-85 GHz este disponibilă pentru aplicațiile industriale de detectare a nivelului de fluide și solide, făcând senzorii radar de 77 GHz atractivi pentru aplicațiile industriale.
- Măsurători fără contact de înaltă precizie pentru identificarea distanței, prezența și detectarea mișcării
- Domeniu de măsurare reglabil
- Transparența materialelor nemetalice; nu este nevoie de linie de vedere; senzorii pot fi acoperiți în carcase din plastic
- Robuste împotriva mediilor dure, cum ar fi ploaie, temperatură, vibrații, vânt sau praf
- Soluție sigură chiar și în condiții extreme de proces; protecția în medii potențial explozive (combustibili, solvenți, alcool, praf organic – zahăr, făină) și verificarea simplă a siguranței intrinseci. (Siguranța intrinsecă este o tehnică de protecție pentru funcționarea în siguranță a echipamentelor electrice în zone periculoase, prin limitarea energiei, electrice și termice, disponibile pentru aprindere.)
- Radar de transmisie pentru analiza materialelor și controlul calității
- Detectarea materialelor speciale cum ar fi sticla, apa sau materiale absorbante precum cauciucul sau puful
- Efort relativ redus de procesare a semnalului
- Semnalele RF dincolo de 100GHz sunt încapsulate în pachetul de cipuri; nu este nevoie de design RF pe PCB.
Antene de 24 GHz pe PCB
Antene de 60 GHz în capsulă
Notă.
Regula generală
- Cu cât frecvența este mai mare, cu atât antena este mai mică (la 77GHz, lungimea de undă λ= 3,9 mm)
- Pentru cazul special al antenelor patch: Cu cât sunt plasate mai multe patch-uri de antenă, cu atât lățimea fasciculului este mai îngustă. (O antenă patch este un tip de antenă cu profil redus, care poate fi montată pe o suprafață. Constă dintr-o foaie plană dreptunghiulară, circulară, triunghiulară sau orice formă geometrică sau „petic” de metal, montată peste o foaie de metal mai mare numită plan de masă.)
- Conexiunile de la IC la antene, precum firele de legătură etc. cauzează nepotrivirea impedanței, scăderea eficienței și lățimea de bandă. Acest lucru trebuie să fie corelat din nou în timpul proiectării antenei. Cu cât structurile sunt mai mici și mai puțin tolerante, cu atât potrivirea este mai ușoară (de exemplu, o antenă pe cip este mai ușor de asortat în comparație cu o antenă pe PCB).
APLICAȚII RADAR INDUSTRIALE
FABRICA INTELIGENTĂ
Testarea nedistructivă a materialelor. Controlul calității materialelor nemetalice precum incluziuni sau îngroșări.
Măsurarea grosimii. Măsurarea grosimii pieselor nemetalice, cum ar fi tuburile extrudate din plastic. Determinarea precisă și fiabilă a grosimii vopselei și a vopselelor cu pulbere.
Măsurarea nivelului. Detectarea precisă a geometriei în rezervoare conice sau sferice de materiale.
ROBOTICĂ
Servicii cu roboți și vehicule automatizate pentru uz profesional. Detectarea mediului pentru livrări autonome de materiale la cerere în liniile de producție. Detectarea obstacolelor, măsurarea vitezei de apropiere și a distanței pentru transportul în siguranță al încărcăturilor importante, de exemplu în depozite mari.
Roboți industriali. Determinarea exactă a propriei poziții și a poziției pieselor de prelucrat.
Notă.
Instrumente de măsurare a nivelului cu radar cu unde ghidate
Senzorii de măsurare a nivelului lichidului cu radar cu unde ghidate (GWR) pot fi utilizați într-o gamă largă de aplicații cu medii solide și lichide. Transmițătoarele radar cu undă ghidată sunt foarte frecvent utilizate în măsurarea nivelului interfeței lichide.
Diferența dintre radarul cu unde ghidate și radar de măsurare a nivelului
Instrumentele de măsurare a nivelului radar cu unde ghidate folosesc o sondă pentru a ghida undele electromagnetice către și dinspre lichidul de proces.
Avantajele transmițătoarelor de nivel GWR față de transmițătoarele de nivel radar cu impulsuri
Dispozitivele radar fără contact suferă mai multe pierderi de semnal decât dispozitivele radar cu undă ghidată, din cauza dispersării undelor electromagnetice. Ghidurile de undă radar reduc pierderea de semnal prin canalizarea energiei radio de-a lungul unei căi drepte.
Ghiduri de undă radar cu undă ghidată
Există diferite tipuri de ghidaj de undă disponibile, inclusiv tije metalice simple, perechi paralele de tije metalice – cunoscute și sub denumirea de sonde cu elemente duble și tijă metalică coaxială și structură tubulară. Pentru toate tipurile de sonde se recomandă utilizarea sondelor învelite în PTFE (Teflon®) pentru măsurarea nivelului de fluide vâscoase.
RADARE CU UNDE GHIDATE
Tehnologia radar integrată RF CMOS de la Texas Instruments oferă cel mai larg portofoliu de senzori radar de 60 și 77 GHz.
Radar mmWave, Radar de înaltă precizie, rezoluție și penetrare pentru monitorizare și detectare
Caracteristici
- Măsurare fără contact
- Antene încorporate
- FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave)
- Detecție pentru interval, viteză și unghi
- Precizie înaltă, rezoluție mare
- Capabil să funcționeze în medii diverse
- Bun pentru detectarea metalelor și lichidelor
- Pătrunde în pereți uscați, pânză și plastic
D3 Engineering are capabilități mmWave care includ atât tehnologia de 60 Ghz, cât și 77 Ghz de la Texas Instruments. Proiectele de referință DesignCore® existente acceptă configurații autonome, satelit și alte configurații.
Experiența D3 Engineering cu radar mmWave include soluții în cascadă, firmware, algoritmi, proiectarea antenei, fuziune și soluții radar de margine.
D3 Engineering are o expertiză suplimentară în integrarea și fuziunea altor modalități de senzori (vizibili, LiDAR și IR). De asemenea, se face optimizarea în siliciu TI (ARM, DSP, EVE), design hardware și antene, software, firmware și algoritmi.
DESIGNCORE® INDUSTRIAL MMWAVE SENSOR STARTER KIT
Kit de pornire ce permite evaluarea rapidă a modulelor D3 cu tehnologia mmWave Texas Instruments. Modul cu factor de formă mic (38mm × 38mm) montat pe o placă de bază, interfață ușoară cu un PC sau platformă încorporată pentru testare și evaluare, software de aplicație și programe demonstrative pentru aplicațiile radar industriale obișnuite.
Aplicații
- Vehicule industriale autonome și robotică
- Manipularea materialelor
- Automatizarea fabricii
- Automatizarea clădirilor
- Drone și Supraveghere
- Monitorizarea traficului
- Senzori industriali pentru măsurarea cu precizie a distanței, unghiului și vitezei
- Măsurarea nivelului și monitorizarea vibrațiilor
Antene multiple – de tip patch realizate pe PCB
XWR1642 de la Texas Instruments este un sistem radar mmWave integrat într-un singur pachet. Dispozitivul conține toate circuitele RF pentru a transmite și recepționa semnale FMCW de 76-81 GHz combinate atât cu un DSP TI C674x, cât și cu ARM Cortex-R4F pentru a gestiona procesarea semnalului RF și, respectiv, codul de aplicare. Banda 76-81 GHz oferă o serie de avantaje față de alte implementări radar. De exemplu, precizia milimetrică și capacitatea de a „vedea” prin obiecte precum plasticul sau îmbrăcămintea sau fără afectare de elemente precum ploaia sau ceața.
Referințe:
https://www.youtube.com/watch?v=YkUxw8zGA3E
https://siliconradar.com/applications/#toggle-id-1
Level Measurement Terminology | Instrumentation Tools
https://www.chemicalprocessing.com/articles/2016/know-when-to-use-guided-wave-radar/
https://www.ti.com/sensors/mmwave-radar/overview.html
https://www.d3engineering.com/product/designcore-industrial-mmwave-sensor-starter-kit/
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură aprovizionarea cu produse Infineon XENSIV™ | Radar sensors, Texas Instruments mmWave Radar sensors și de la alți producători..
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro