ما الفرق بين مبدأ عمل واختيار مقياس مستوى الرادار ومقياس مستوى الموجات فوق الصوتية؟

يُعدّ كلٌّ من مقياس مستوى الرادار ومقياس مستوى الموجات فوق الصوتية أداتين هامتين لقياس مستوى السوائل، ويُستخدمان على نطاق واسع في القياس المستمر لمستوى السوائل في مختلف الخزانات والصوامع والأحواض في المصانع الكيميائية، ومصانع تجهيز الأغذية، ومصانع مواد البناء، ومصانع المواد الخام، وغيرها من المصانع لمراقبة العمليات الصناعية. ونظرًا لتشابه وظائفهما، غالبًا ما يتم استبدال أحدهما بالآخر. في الواقع، لا يكون التمييز بينهما واضحًا في التطبيقات العملية. ولمساعدة المستخدمين على التمييز بينهما بشكل أفضل، تُقدّم هذه الورقة شرحًا لمبادئ وخيارات كلٍّ من جهاز إرسال مستوى الرادار ومقياس مستوى الموجات فوق الصوتية.

أ. المبادئ المختلفة لنوعي مقياس المستوى

1- مقياس مستوى الرادار

بحسب طريقة العمل، مقياس مستوى الرادار ينقسم بشكل أساسي إلى نوعين: نوع النبض ونوع تعديل التردد المستمر.

يعتمد مقياس مستوى الرادار النبضي على مبدأ الموجات الدقيقة (الانبعاث → الانعكاس → الاستقبال)، حيث يتم إرسال إشارة الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة الهوائي، وتنتج انعكاسًا على سطح المادة المقاسة، ويتم استقبال إشارة الصدى المنعكسة بواسطة مقياس مستوى الرادار، ثم يتم حساب وقت الانتقال من الانبعاث إلى الاستقبال.

يختلف مبدأ عمل مقياس مستوى الرادار ذي التعديل الترددي المستمر عن النوع النبضي، حيث تنعكس إشارة الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة سطح السائل ويتم استقبالها بواسطة نفس الهوائي، ثم بناءً على المبدأ التقني لتحويل فورييه السريع (FFT)، يتم تحويل الإشارات ذات الترددات المختلفة في المجال الزمني إلى طيف التردد في المجال الترددي، ويتم حساب المسافة من الهوائي إلى سطح المادة وفقًا لفرق التردد بين الإشارة المنبعثة والإشارة العائدة بما يتناسب مع المسافة إلى سطح الوسط.

2- مقياس مستوى بالموجات فوق الصوتية

على غرار مقياس مستوى الرادار النبضي، يستخدم مؤشر مستوى الموجات فوق الصوتية مبدأ انعكاس الصدى لقياس ارتفاع المستوى، والفرق الوحيد بينهما هو أن قياس مستوى الرادار يستخدم الموجات الكهرومغناطيسية دون الحاجة إلى وسط ناقل، بينما يستخدم مقياس مستوى الموجات فوق الصوتية الموجات الميكانيكية التي يجب أن تنتشر عبر وسط ناقل معين. سرعة الانتشار ثابتة.

ثانيًا، اختيار نوعين من تطبيقات مقياس المستوى

　　 مقياس مستوى بالموجات فوق الصوتية يستخدم بشكل عام لقياس المستوى في ظل ظروف أكثر استقرارًا لأن سرعة انتشار موجاته الصوتية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة وضغط الوسط المنتشر وخصائص الوسط المقاس؛ بينما يجب أن يأخذ اختيار مقياس مستوى الرادار في الاعتبار ثابت العزل الكهربائي للوسط، وارتفاع الصومعة، وشكل المادة واستقرارها وعوامل أخرى، وذلك لتحديد تردد الميكروويف وزاوية الشعاع ونوع الهوائي.

(1) ثابت العزل الكهربائي

بما أن معامل التوهين للموجات الكهرومغناطيسية يتناسب عكسياً مع الجذر التربيعي لثابت العزل الكهربائي للوسط، فكلما زاد ثابت العزل الكهربائي للوسط المقاس، قل توهين الموجات الكهرومغناطيسية، وزادت قوة الإشارة المنعكسة التي يستقبلها مقياس المستوى، وفي هذه الحالة، يكون قياس المستوى أكثر ملاءمة لمستشعر مستوى الرادار .

(2) نطاق القياس

بالمقارنة مع مقياس مستوى الرادار، فإن نطاق قياس مقياس مستوى الموجات فوق الصوتية أقصر، ولا يتجاوز عادةً 15 مترًا. لذلك، في خزانات التخزين الكبيرة أو الضخمة جدًا، والأبراج والخزانات، والغلايات، وغيرها من تطبيقات المعدات، يكون مقياس مستوى الرادار أكثر ملاءمة.

(3) خصائص المنتج

نظرًا لتأثير درجة الحرارة والضغط الكبير على قياسات مستشعر مستوى الموجات فوق الصوتية ، فإنه لا يُستخدم عادةً في بيئات الضغط العالي أو الضغط المنخفض، ولذلك يُستخدم مقياس مستوى الموجات فوق الصوتية في الغالب داخل الأوعية ذات الضغط الجوي. أما مقياس مستوى الرادار، فلا يتأثر بدرجة الحرارة والضغط، ويمكن استخدامه في تطبيقات الضغط العالي ودرجات الحرارة المرتفعة. ويعود ذلك إلى أن الموجات الميكانيكية تتأثر بوسط الانتشار، ويكون توهين الطاقة فيها كبيرًا نسبيًا، ويكون أداؤها أكثر وضوحًا في الأوساط الغازية أو غير المتجانسة.

إن انتشار الموجات الكهرومغناطيسية أقوى من الموجات فوق الصوتية، لذا فإن مدى مؤشر مستوى الرادار أكبر أيضًا من الموجات فوق الصوتية، وخاصة الآن باستخدام تقنية تعديل التردد العالي والمستمر، مما يجعل مداه يزداد بشكل أكبر.

يُظهر مقياس مستوى الرادار قدرةً فائقةً على تمييز الاضطرابات في البيئة والوسط المحيط، كما أنه يتميز بقدرةٍ أفضل على إزالة التداخل، مما يضمن دقةً أعلى في القياس. ونظرًا لاتساع نطاق قياسه ودقته العالية، فضلًا عن تطور تقنيات القياس وبنية الجهاز، فإن سعره أعلى من سعر مقياس مستوى الموجات فوق الصوتية. لذا، يُفضل العديد من المستخدمين مقياس مستوى الموجات فوق الصوتية على مقياس مستوى الرادار لاعتبارات التكلفة.

(4) شكل المادة واستقرارها

عندما تكون المادة صلبة أو مسحوقة، وبسبب الانكسار والتشتت المنتشر وعوامل أخرى، يقل صدى الصوت الفعال ويزداد التشويش، لذا لا يُنصح باستخدام جهاز إرسال مستوى الموجات فوق الصوتية. مع ذلك، عندما يكون سطح القياس متذبذبًا، فإن استخدام مؤشر مستوى الرادار يواجه أيضًا صعوبة في الكشف الفعال عن الصدى.