تفاوت آنتن Horn و Lens در رادار لول ترانسمیتر چیست؟ راهنمای انتخاب آنتن مناسب

در سیستم‌های اندازه‌گیری سطح غیرتماسی، Radar Level Transmitter یکی از پرکاربردترین تجهیزات صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، آب و فاضلاب، صنایع غذایی و مخازن ذخیره است.

این تجهیزات با ارسال امواج الکترومغناطیسی به سمت سطح سیال یا جامد و دریافت موج بازتابی، فاصله تا سطح ماده را اندازه‌گیری کرده و از آن مقدار Level را محاسبه می‌کنند.

اما یکی از موضوعاتی که هنگام انتخاب رادار لول ترانسمیتر اهمیت زیادی دارد، نوع آنتن دستگاه است.

دو طراحی متداول عبارت‌اند از:

Horn Antenna
و
Lens Antenna

هر دو برای هدایت امواج راداری استفاده می‌شوند، اما شکل انتشار موج، ابعاد، مقاومت در برابر شرایط فرایندی و مناسب بودن آن‌ها برای مخازن مختلف می‌تواند متفاوت باشد.

آنتن در Radar Level Transmitter چه کاری انجام می‌دهد؟

آنتن وظیفه دارد انرژی راداری تولیدشده توسط الکترونیک دستگاه را به سمت سطح محصول هدایت کند و سپس بخشی از موج بازتاب‌شده را برای پردازش دریافت نماید.

هرچه انرژی رادار بهتر روی سطح موردنظر متمرکز شود، احتمال دریافت Echo مناسب افزایش پیدا می‌کند.

یکی از مهم‌ترین پارامترهای آنتن، Beam Angle یا زاویه پرتو است.

Beam Angle در واقع زاویه مخروطی است که بخش اصلی انرژی رادار در آن منتشر می‌شود.

زاویه پرتو باریک‌تر معمولاً باعث می‌شود رادار کمتر تحت تأثیر موانعی مانند نردبان، کویل، لوله، همزن و دیواره مخزن قرار گیرد. البته حتی خارج از Beam Angle اسمی نیز مقداری انرژی منتشر می‌شود و بنابراین نصب صحیح همچنان اهمیت دارد. Siemens نیز در مستندات Radar Level خود به همین موضوع اشاره می‌کند.

Horn Antenna چیست؟

Horn Antenna یا آنتن شیپوری یکی از طراحی‌های شناخته‌شده در رادارهای اندازه‌گیری سطح است.

در این طراحی، قسمت انتهایی آنتن به شکل مخروط یا شیپور ساخته می‌شود و وظیفه آن هدایت امواج الکترومغناطیسی به سمت سطح محصول است.

این نوع آنتن سال‌ها در رادارهای Free Space Radar مورد استفاده قرار گرفته و هنوز هم در بسیاری از کاربردهای صنعتی انتخاب بسیار مناسبی محسوب می‌شود.

مزایای Horn Antenna

یکی از مهم‌ترین مزیت‌های آنتن Horn، ساختار مکانیکی ساده و مقاوم آن است.

در بسیاری از مدل‌ها Horn از فلزاتی مانند Stainless Steel ساخته می‌شود و می‌تواند برای فرآیندهایی با دما و فشار بالا مناسب باشد.

مزایای مهم آن عبارت‌اند از:

• ساختار مقاوم و صنعتی
• مناسب برای بسیاری از مخازن بزرگ
• امکان استفاده در دما و فشارهای بالا، بسته به طراحی تجهیز
• عملکرد قابل اعتماد در کاربردهای عمومی
• امکان ارائه در قطرهای مختلف
• مناسب برای بسیاری از سیالات و بعضی کاربردهای جامدات

ارتباط اندازه Horn با Beam Angle

یک نکته مهم این است که Beam Angle فقط به فرکانس وابسته نیست.

در یک فرکانس مشخص، افزایش قطر آنتن می‌تواند باعث باریک‌تر شدن Beam Angle شود.

برای مثال Siemens برای برخی نسخه‌های Horn آنتن SITRANS LR250 زاویه‌های متفاوتی را بر اساس قطر آنتن اعلام کرده است؛ در یک نمونه، Horn کوچک‌تر زاویه حدود 19 درجه و Horn بزرگ‌تر زاویه حدود 8 درجه دارد.

بنابراین نمی‌توان گفت:

«تمام Horn Antennaها زاویه پرتو مشخص و یکسانی دارند.»

Beam Angle واقعی باید از دیتاشیت همان مدل بررسی شود.

Lens Antenna چیست؟

در Lens Antenna از یک بخش دی‌الکتریک با هندسه مهندسی‌شده برای تمرکز و هدایت امواج راداری استفاده می‌شود.

در بسیاری از رادارهای جدید با فرکانس بالا، به‌خصوص خانواده‌های 80 GHz، طراحی‌های Lens یا Flush Antenna بسیار رایج شده‌اند.

مواد مورد استفاده برای Lens بسته به مدل می‌توانند شامل موادی مانند PTFE یا سایر پلیمرهای مناسب فرایندی باشند.

مزیت اصلی این طراحی آن است که می‌توان یک پرتو بسیار متمرکز را با ابعاد فیزیکی نسبتاً کوچک ایجاد کرد.

چرا بسیاری از رادارهای 80 GHz Beam Angle باریک‌تری دارند؟

هرچه فرکانس افزایش پیدا کند، طول موج کاهش می‌یابد.

رابطه کلی بین طول موج و فرکانس به صورت زیر است:

λ = c / f

که در آن:

λ = طول موج
c = سرعت انتشار موج
f = فرکانس

بنابراین در 80 GHz طول موج بسیار کوتاه‌تر از 26 GHz است.

این ویژگی به طراح اجازه می‌دهد با ابعاد نسبتاً کوچک‌تر آنتن، پرتو باریک‌تری ایجاد کند.

به همین دلیل بسیاری از رادارهای 80 GHz دارای High Focusing یا Narrow Beam هستند.

Endress+Hauser نیز در رادارهای 80 GHz خود، Beam Angle بسیار باریک را یکی از مزایای کاربرد در سیلوهای باریک یا مخازن دارای تجهیزات داخلی معرفی می‌کند.

مزایای Lens Antenna

Lens Antenna در بسیاری از تجهیزات جدید مزایای قابل توجهی دارد.

زاویه پرتو باریک

یکی از مهم‌ترین مزایا، امکان تمرکز بیشتر انرژی است.

پرتوی باریک کمک می‌کند رادار بین سطح واقعی محصول و اجسام داخل مخزن بهتر تمایز ایجاد کند.

مناسب برای مخازن کوچک و باریک

در مخازنی که قطر کمی دارند، Beam Angle بزرگ ممکن است باعث برخورد انرژی با دیواره شود.

Lens Antenna یا سایر آنتن‌های High-Focusing می‌توانند در چنین کاربردهایی مزیت داشته باشند.

مناسب برای مخازن دارای Internal Obstructions

وجود تجهیزاتی مانند:

Agitator
Heating Coil
Ladder
Support Structure
Pipe
Nozzle

می‌تواند باعث ایجاد False Echo شود.

پرتوی باریک‌تر احتمال برخورد مستقیم موج با این اجسام را کاهش می‌دهد.

ابعاد کوچک‌تر

یکی از مزیت‌های تکنولوژی‌های فرکانس بالا این است که می‌توان با آنتن کوچک‌تر به Beam Angle باریک دست پیدا کرد.

این ویژگی برای مخازنی که Process Connection کوچک دارند بسیار مفید است.

آیا Lens Antenna همیشه از Horn بهتر است؟

خیر.

این یکی از مهم‌ترین نکاتی است که هنگام انتخاب رادار باید در نظر گرفت.

مدرن‌تر بودن یا داشتن فرکانس بالاتر به معنی مناسب‌تر بودن برای تمام کاربردها نیست.

نوع آنتن باید بر اساس شرایط واقعی فرایند انتخاب شود.

در بعضی کاربردهای با دمای بسیار بالا، فشار بالا، رسوب شدید یا شرایط خاص شیمیایی ممکن است طراحی Horn یا نوع دیگری از آنتن مناسب‌تر باشد.

در مقابل، برای مخازن کوچک، باریک یا دارای موانع داخلی، یک رادار با Beam Angle بسیار باریک می‌تواند مزیت بزرگی داشته باشد.

تفاوت 26 GHz و 80 GHz در Radar Level Transmitter

یکی از مقایسه‌های رایج در کنار Horn و Lens، مقایسه رادارهای 26 GHz و 80 GHz است.

به طور کلی، 80 GHz امکان تمرکز بالاتر پرتو با آنتن کوچک‌تر را فراهم می‌کند.

اما این موضوع نباید به این صورت ساده‌سازی شود که:

26 GHz = Horn
و
80 GHz = Lens

زیرا طراحی‌های مختلفی در بازار وجود دارند.

برای نمونه، Endress+Hauser برای Micropilot FMR67B با فرکانس حدود 80 GHz، علاوه بر آنتن‌های PTFE، گزینه 65 mm Horn Antenna نیز ارائه می‌دهد.

بنابراین هنگام انتخاب تجهیز باید مشخصات واقعی مدل بررسی شود، نه صرفاً نام آنتن.

Beam Angle چه تأثیری بر اندازه‌گیری دارد؟

فرض کنید رادار در ارتفاع زیادی از مخزن نصب شده است.

با افزایش فاصله، قطر مخروط امواج نیز افزایش پیدا می‌کند.

اگر Beam Angle بزرگ باشد، موج ممکن است با دیواره، نردبان، کویل یا همزن برخورد کند.

در نتیجه دستگاه ممکن است Echoهای اضافی دریافت کند.

در مقابل، Beam Angle باریک‌تر انرژی را روی محدوده کوچکتری متمرکز می‌کند.

این ویژگی مخصوصاً در مخازن باریک یا مخازن دارای تجهیزات داخلی بسیار مفید است.

اما Beam Angle تنها عامل تعیین‌کننده کیفیت اندازه‌گیری نیست.

عوامل دیگری مانند:

موقعیت نصب
نوع محصول
Dielectric Constant
وجود Foam
Condensation
Dust
Nozzle Geometry
Build-up
ارتفاع مخزن
نوع آنتن
Signal Processing

نیز تأثیر زیادی بر عملکرد دستگاه دارند.

Horn Antenna برای چه کاربردهایی مناسب است؟

Horn Antenna معمولاً می‌تواند انتخاب مناسبی برای کاربردهایی مانند موارد زیر باشد:

مخازن بزرگ ذخیره
مخازن فرایندی با فضای کافی
کاربردهای دما بالا
فرایندهای فشار بالا، در مدل‌های مناسب
مخازنی با تجهیزات داخلی کم
کاربردهایی که به ساختار فلزی مقاوم نیاز دارند

البته محدوده فشار و دما کاملاً به مدل دستگاه، Process Connection، Seal و جنس قسمت‌های Wetted وابسته است.

Lens Antenna برای چه کاربردهایی مناسب است؟

Lens Antenna یا طراحی‌های High-Focusing معمولاً برای شرایطی مانند موارد زیر جذاب هستند:

مخازن کوچک
مخازن باریک
Nozzleهای کوچک
مخازن دارای Agitator
مخازن دارای Heating Coil
فضای نصب محدود
نیاز به Beam Angle بسیار باریک
کاربردهای نیازمند تمرکز زیاد پرتو

آیا فرکانس بالاتر همیشه دقت بیشتری دارد؟

نه لزوماً.

این جمله که «80 GHz همیشه دقیق‌تر از 26 GHz است» از نظر مهندسی بیش از حد ساده‌شده است.

فرکانس بالاتر می‌تواند مزایایی مانند:

تمرکز بیشتر پرتو
آنتن کوچک‌تر
تفکیک بهتر برخی اهداف نزدیک
کاهش برخورد با موانع

ایجاد کند.

اما Accuracy نهایی دستگاه به طراحی کامل ترانسمیتر، الگوریتم پردازش Echo، شرایط نصب، مشخصات فرایند و کالیبراسیون آن نیز وابسته است.

بنابراین مقایسه دو رادار تنها بر اساس GHz روش درستی برای انتخاب نیست.

هنگام انتخاب Horn یا Lens چه پارامترهایی را بررسی کنیم؟

قبل از انتخاب Radar Level Transmitter باید حداقل این اطلاعات مشخص باشد:

نوع ماده: مایع یا جامد
محدوده اندازه‌گیری
ارتفاع و قطر مخزن
حداقل و حداکثر Level
دمای فرایند
فشار فرایند
Dielectric Constant ماده
وجود Foam
وجود Steam یا Condensation
وجود Dust
وجود Agitator یا Coil
ابعاد Nozzle
Process Connection
جنس موردنیاز قطعات در تماس با فرایند
Hazardous Area Classification
Communication Protocol
Accuracy موردنیاز

بعد از بررسی این موارد می‌توان درباره فرکانس، نوع آنتن و Beam Angle تصمیم گرفت.

نکته مهم در نصب Radar Level Transmitter

حتی بهترین رادار نیز اگر در محل نامناسب نصب شود، می‌تواند عملکرد ضعیفی داشته باشد.

بهتر است مسیر اصلی Beam تا حد امکان از:

دیواره مخزن
ورودی مواد
نردبان
کویل
همزن
لوله‌ها و سازه‌های داخلی

فاصله داشته باشد.

Siemens نیز در دستورالعمل‌های نصب Radar Level اشاره می‌کند که خارج از محدوده Beam Angle اسمی هم مقداری انرژی منتشر می‌شود، بنابراین فاصله مناسب از موانع همچنان ضروری است.

جمع‌بندی

Horn Antenna و Lens Antenna هر دو می‌توانند در Radar Level Transmitterها عملکرد بسیار خوبی داشته باشند؛ اما کاربرد آن‌ها یکسان نیست.

Horn Antenna معمولاً طراحی صنعتی و مقاومی دارد و می‌تواند برای بسیاری از مخازن و شرایط فرایندی انتخاب مناسبی باشد.

Lens Antenna و سایر طراحی‌های High-Focusing، به‌خصوص در رادارهای فرکانس بالا، امکان ایجاد Beam Angle باریک با ابعاد کوچک را فراهم می‌کنند و برای مخازن باریک، اتصالات کوچک یا مخازن دارای موانع داخلی بسیار مفید هستند.

بنابراین انتخاب صحیح نباید فقط بر اساس عبارت‌هایی مثل 26 GHz یا 80 GHz و یا Horn یا Lens انجام شود.

برای انتخاب مهندسی باید مجموعه‌ای از پارامترها شامل فرکانس، Beam Angle، قطر آنتن، شرایط مخزن، جنس ماده، دما، فشار و ساختار داخلی مخزن بررسی شود.