Radar steeds vaker gekozen voor contactloze niveaumeting

Ultrasone vs. radargebaseerde toestellen voor continue niveaumeting in tanks

Radartechnologie verdringt steeds meer de markt van de ultrasone technologie. De radartoepassingen worden bovendien diverser. De toestellen worden intelligenter, krachtiger, eenvoudiger, kleiner en goedkoper. Waar de technologie vroeger door de hoge kostprijs voorbehouden was voor grotere bedrijven, is die nu meer toegankelijk geworden voor kleine bedrijven.

Contactloze niveaumeting

Het meten van vulniveaus in tanks, silo’s … verloopt, afhankelijk van de toepassingen, via een van verschillende mogelijke methoden: elektromagnetisch, capacitief, conductief, trilvorkschakelaars ... Bij bepaalde daarvan maakt de sonde contact met het product waarvan het vulniveau wordt gemeten. In die gevallen moeten er maatregelen worden
genomen om corrosie, aanslag en/of contaminatie op de meetsonde tegen te gaan.

Bij toestellen die contactloos meten, is dat niet of veel minder het geval. Bovendien hebben zij het voordeel dat er geen bewegende onderdelen betrokken zijn bij hun werking, waardoor ze quasi onderhoudsvrij zijn. Contactloos metende toestellen zijn overigens de aangewezen keuze in toepassingen waarbij het product onder geen beding aangetast mag worden door een contact met de meetsonde, met name in de farma- en voedingsindustrie.

Hieronder bespreken we de twee meest toegepaste methoden voor de contactloze vulniveaumeting, namelijk deze
gebaseerd op ultrasone technologie, en de radargebaseerde meters. Beide zijn gebaseerd op het zogeheten time-of-flightprincipe, waarbij de looptijd van de uitgestuurde signalen een maat is voor de afstand. Met beide technologieën is in principe het vulniveau te meten bij zowel vloeistoffen als vaste stoffen.

Ultrasoon

Meetprincipe en meetbereik

Bij ultrasone niveaumeters zet een transducer (een piëzo-elektrisch membraan) elektrische signalen om in geluidspulsen. Dat gebeurt met een frequentie buiten het menselijke hoorbereik (20 Hz tot 20 kHz) – in de meeste gevallen ergens tussen de 20 kHz en 200 kHz. Daarbij geldt: hoe kleiner de frequentie, hoe groter het meetbereik. Enkele voorbeelden: een meter met een frequentie van 170 kHz en een meetbereik tot 0,8 m, en een andere met 50 kHz en een meetbereik van 12 m.

Voordelen

Ultrasone niveaumeters vormen al jaren een kosteneffectieve oplossing bij met name metingen in tanks met rechte wanden. Eigenschappen als dichtheid, geleidbaarheid en de relatieve diëlektrische constante van het product waarvan het vulniveau gemeten wordt, hebben geen invloed op het meetresultaat. Ook kunnen ultrasone meetsondes voorzien worden van beschermingsgraden, als de toepassing dat vereist (bijvoorbeeld IP68, ATEX etc.).

Uitdagingen

Ultrasoon is vaak niet bestand tegen variërende procescondities. Bij een succesvolle ultrasone meting beweegt de geluidsgolf zich na weerkaatsing op het productoppervlak in een rechte lijn terug naar de transducer. Factoren als dichte dampen, obstakels in de tank (roerwerk, ladders), turbulentie, schuim en oneffen productoppervlakken hebben een invloed op het terugkerende signaal, dus moet bij de keuze van de niveaumeter vooraf worden bekeken hoe elk van die factoren een impact kan hebben op de geluidsgolven.

Via teach-inknoppen of programmeersoftware kan eventuele interferentie door obstakels selectief worden onderdrukt binnen het detectiebereik (fixed target suppression). Ook omgevingseffecten spelen een rol. De verspreiding van geluidsgolven hangt af van de temperatuur, druk en relatieve luchtvochtigheid. Hoe hoger de druk en hoe lager de relatieve luchtvochtigheid en temperatuur, hoe trager de geluidsgolven zich verspreiden en hoe ruimer het detectiebereik.

Temperatuur

De grootste invloed komt van de luchttemperatuur. Voor elke temperatuurverandering van 1 °C verandert de geluidssnelheid met 0,18%. Interne temperatuursondes worden daarom toegepast om temperatuurinvloeden te compenseren bij de sensoroutput. Dat werkt echter maar als de sensor en het detectiebereik quasi dezelfde
omgevingstemperatuur behouden. Als er een te groot temperatuurverschil is tussen het productoppervlak en de sensor, kan temperatuurcompensatie meer slecht dan goed doen.

Vandaar dat de temperatuurcompensatie in- en uitgeschakeld moet kunnen worden. Invloeden van luchtvochtigheid of luchtdruk op het meetresultaat kunnen worden opgevangen via een kalibratie-instelling die ervoor zorgt dat alle gemeten waarden met een bepaalde factor worden vermenigvuldigd om zo het resultaat enigszins bij te stellen.

Hoe hoger de druk en hoe lager de relatieve luchtvochtigheid en temperatuur, hoe trager de geluidsgolven zich verspreiden

Zwakker uitgestuurd signaal

Het is ook goed om rekening te houden met de diëlektrische constante (DK), een mediumcriterium dat de mate van signaalsterkte bepaalt die wordt weerkaatst. Ultrasone transmitters hebben een relatief zwak uitgestuurd signaal en lopen bijgevolg het risico dat een reflectie uitblijft indien de DK-waarde te laag wordt.

Radar

Meetprincipe en meetbereik

Radars werken op basis van elektromagnetische golven. Er zijn twee categorieën. Waar de radartechnologie als alternatief vroeger nooit een grootschalige toepassing kende vanwege het prijskaartje, is dat met de komst van compactere en goedkoper geworden componenten veranderd. 

Aanvankelijk werden radars enkel gebruikt in complexe procestoepassingen – bijvoorbeeld in grote silo’s en opslagtanks, maar dankzij de opkomst van deze compactere componenten worden ze vandaag ook voor eenvoudige en kleinere toepassingen ingezet. Denk bijvoorbeeld aan een debietmeting voor afvalwalwater of waterzuivering. Opslagtanks zijn de eenvoudigere toepassingen.

Twee radartechnologieën

Pulse Burst-radar

Bij radars bestaan er twee technologieën, namelijk Pulse Burst-radar of FMCW (frequentiegemoduleerde continugolfradar). Bij een pulse burst-technologie opereert het toestel vanuit een tijdsmeting tussen uitgestuurd en terugkerend signaal. Bij pulsradars wordt het vulniveau gemeten door middel van korte radarpulsen, neerwaarts verstuurd vanaf de antenne boven in de tank.

Wanneer de golf aankomt bij een medium met een andere diëlektrische of diamagnetische constante, zullen de golven reflecteren ter hoogte van de grens tussen het product en het medium erboven (lucht, stoom ...). Het tijdverschil tussen het verzonden en ontvangen signaal is recht evenredig met de afstand en vormt de basis voor de berekening van het vulniveau.

Frequentiegemoduleerde radar

De meeste fabrikanten maken gebruik van FMCW-technologie. Bij frequentiegemoduleerde radars (FMCW) verstuurt de zender continu een gemoduleerd signaal en wordt de afstand berekend uit het verschil in frequentie tussen het verzonden en ontvangen signaal op elk gegeven moment.

Bij FMCW wordt de frequentie constant gemoduleerd en zal de frequentie van het uitgestuurde signaal in frequentie verschillen van de frequentie van het reflecterende signaal. Dit type radar levert een hogere nauwkeurigheid op. Via deze technologie wordt vijfmaal meer signaal uitgestuurd dan bij een pulse radar. Dit resulteert in een sterker signaal dat media met lagere diëlektrische constante kunnen meten.

Er zijn een groot aantal frequentiebanden in gebruik voor radar. Welke band het best kan worden gebruikt, hangt af van de specifieke eigenschappen van de frequentieband. Fabrikanten bieden verschillende frequenties aan in het GHz-bereik (bv. 6, 26 of 80 GHz) om zo verschillende toepassingen te dekken.

Voor FMCW wordt vooral de universele frequentie 80 GHz gebruikt. De frequentie is universeel en kan voor vele toepassingen worden gebruikt. Deze frequentie heeft het ook makkelijk om meerdere roerwerkbladeren uit te filteren. Als een radartoestel verkeerdelijk te kort tegen de wand is gemonteerd, dan kan de 80 GHz met deze situatie ook goed overweg.

Voordelen

De robuuste radartechnologie biedt een hoge nauwkeurigheid. Het signaal van radars is met de jaren krachtiger en stabieler geworden. Via intelligente software worden er relatief veel gegevens gehaald en de dataverwerking gaat steeds vlotter en sneller.

De radartechnologie is in vergelijking met ultrasone technologie veel minder gevoelig voor omgevingsfactoren, zoals druk en temperatuur, en leent zich onder meer voor toepassingen met vacuüm- of hoge drukken (mits aangepaste behuizingen). De elektromagnetische radargolven zijn ongevoelig voor damp, stof, drukvariatie, wind, regen en sneeuw. Een groot verschil met ultrasone golven die daar meer gevoelig voor zijn, daardoor meer afwijken, en daardoor dus minder accuraat zijn.

De radartechnologie is in vergelijking met ultrasone technologie veel minder gevoelig voor omgevingsfactoren, zoals druk en temperatuur

Daar waar het vroeger complex was om radartoestellen in te regelen, gebeurt dat nu vaak zonder kalibratie, zeg maar vereenvoudigde parameterinstelling. Er wordt gebruikgemaakt van LoRa-netwerken. Via bluetooth zijn de radars ook vlot aan te sturen met de smartphone. De radartoestellen zijn met de jaren kleiner geworden, mede dankzij hun compactere antennes, en raken daardoor vlotter ingebouwd.

Door gebruik van ASIC-componenten worden deze radars goedkoper, betrouwbaarder en performanter dan de ultrasone transmitters. Een voorbeeld is het gebruik van chips (ASIC-componenten) die een belangrijke populatie van de klassieke SMT-componenten vervangen. Daardoor is het design meer stabiel over de tijd en goedkoper om te produceren. Er worden dedicated chips gebouwd.

Uitdagingen

Wanneer de uitgestuurde elektromagnetische golven op een punt komen met een andere permittiviteit of diëlektrische constante (DC) (gewoonlijk aan het productoppervlak), wordt er slechts een deel van de golf gereflecteerd. Een
vuistregel die vaak wordt toegepast, is dat de DC-waarde het percentage gereflecteerde energie weergeeft. Zo betekent een DC van 6 dat 6% van de uitgestraalde energie weerkaatst wordt naar de zender.

Producten met een hogere DC zullen dan ook sterkere terugkerende signalen en dus adequatere metingen opleveren. Producten met een lage diëlektrische constante zullen de elektromagnetische golf grotendeels doorlaten/absorberen. Dit zijn typisch niet-geleidende materialen met een laag vochtgehalte, zoals poeders en korrels. De radar kan vele van die materialen detecteren, maar de energie van de teruggekaatste golven is zo beperkt dat een precieze uitlijning van de radar ten opzichte van het signaal essentieel is.

Ultrasoon voorbijgestreefd

De contactloze niveaumeting verliep vroeger traditioneel via de beproefde ultrasone technologie – tevens de eerste contactloze technologie. De ultrasone technologie is op diverse vlakken ingehaald door de radartechnologie. Zo is ultrasoon is in veel gevallen technisch zwakker dan radartechnologie en gaat het argument dat ultrasoon betaalbaarder is dan radar ook niet meer op, met name door de komst van compactere radarcomponenten. Echter is het raadzaam om niet standaard te kiezen voor radar, maar om per situatie de voor- en nadelen van beide opties goed af te wegen. 

Met medewerking van Krohne en Sick