Skrevet af Morten B. Jensen, Product Manager – Instrumenter hos KLINGER Danmark
Siden slutningen af 80'erne har mikrobølge (radar) teknik været anvendt til niveau måling. Princippet er baseret på refleksionsmåling, men i modsætning til ultralydsmåling er det ikke en lydbølge, men derimod en elektromagnetisk bølge som benyttes til at detektere afstanden til overfladen, og egenskaberne er derfor anderledes for dette princip.
Først og fremmest forudsætter mikrobølger ikke at der er et bæremedie til stede, og de er overvejende uafhængig af proces tryk og temperatur.
Selve refleksionen optræder når den elektromagnetiske bølge møder et skift i dielektricitets konstanten - og princippet kan derfor anvendes på alle produkter, både væske, faste stoffer og gasarter - hvor denne er væsentlig forskellig fra mediet over overfladen. Hvis det er luft som befinder sig over mediet bør dielektricitets konstanten være større end 1,4 for at målingen bliver pålidelig
Udbredelsen af mikrobølger møder derfor sin fysisk begrænsning i medier med meget lave dielektricitets konstanter (f.eks. flydende gasser) og faste stoffer med meget små partikler.
To metoder
Elektromagnetiske bølger benyttes også af en del andet elektronisk udstyr, bl.a. mobiltelefoner, og man har derfor tildelt nogle faste frekvenser til teknisk måleudstyr - så ikke de forskellige typer forstyrrer hinanden.
Indenfor frekvensspektret fra 2,5til 120 GHz er det overvejende to metoder til udbredelse og detektion af mikrobølger, som har haft størst industriel anvendelse til niveaumåling, nemlig puls og FMCW princippet.
Puls princippet fungerer ved at der udsendes et pulstog af mikrobølger med en frekvens i GHz området – og afstanden til overfladen måles som det tidsrum der går mellem afsendelse til der detekteres et ekko. Den meget korte impuls, gør det let omregne forsinkelsen til et måleligt område, og samtidig giver det store antal "signalpakker" en bedre opløsning i målingen end ved f.eks. ultralydsmåling.
Generelt gælder at jo højere frekvens desto skarpere ekko, og dermed bedre opløsning i målingen - til gengæld vil en lav frekvens være bedre ved urolige overflader.
FMCW princippet (Frequency Modulated Continuous Wave = modulerende kontinuerlige bølger) fungerer ved at der udsendes et kontinuerligt signal med stigende frekvens, hvorefter det detekterede retursignal sammenlignes og afstanden til overfladen beregnes som det tidsrum der går mellem 2 identiske frekvenser detekteres.
FMCW radaren sender 500 gange så mange mikrobølger afsted – det betyder at den bruger mere energi, men samtidig er der større chance for at der kommer et signal tilbage (højere følsomhed) end ved puls radaren.
Antennens udformning
Antennen som udsender bølgerne kan udformes på forskellig vis, det primære formål er dog for alle konstruktioner at styre bølgerne mod mediets overflade i så koncentreret form som muligt, således at man er sikker på, at de reflekterede signaler også rammer modtageren.
Mest udbredt er den såkaldte hornantenne, der udsender bølgerne i en kegle mod overfladen – her er hornets størrelse afgørende for rækkevidden på niveaumålingen, idet et større horn giver længere rækkevidde.
Udformningen af antennen gør at måleprincippet kan tilpasses mangeartede opgaver, og derfor er netop antennens udformning et af de steder hvor der sker den største udvikling, som f.eks.
• Parabolantenner som er særlig velegnet til måling på faste stoffer, hvor reflektionen fra overfladen er mere diffus.
• Små antenner, indkapslet i PTFE, med 1 ½" RG af PVDF- specielt velegnet til fødevare og farmaceutisk industri
• Planar antenner hvor udformningen af antennen balancerer orienteringen af de magnetiske flux linjer så de holdes inden for et afgrænset område, og dermed gør princippet anvendeligt i snævre beholdere.
Af særlige fordele ved mikrobølgeteknikken kan nævnes:
• Nøjagtigheden er typisk ±10mm, men kan forøges helt ned til ±1mm i særlige præcisionsudstyr
• Princippet fungerer i område fra vakuum til 64 bar overtryk, ved temperaturer op til et 350oC.
• Gas og støv i beholderen har næsten ingen indvirken på målingen.