Rozwój technologii mikrofalowych w ostatniej dekadzie spowodował znaczne poszerzenie możliwości wykorzystania radarów w układach automatyki. Co prawda, pierwsze urządzenia do pomiaru poziomu pojawiły się w połowie lat siedemdziesiątych, ale z uwagi na ich cenę oraz skomplikowaną obsługę, a przede wszystkim przeciętne możliwości, mogły być tylko stosowane w przypadku pomiaru cieczy. Poszerzanie zakresu wykorzystania radarów możliwe było dzięki rozwojowi technologii, między innymi zwiększaniu dynamiki sygnału oraz częstotliwości fal jakie wykorzystują urządzenia. Przyjrzeliśmy się historycznym etapom w rozwoju tej technologii.
1991 rok – 6 GHz
Technologie na bazie 6 GHz weszły szerzej na rynek z początkiem lat dziewięćdziesiątych i ujawniły bardzo istotne zalety radaru – metody całkowicie niewrażliwej na zapylenie i dającej możliwość pomiaru mediów o wysokich temperaturach bez utraty dokładności. Problemem pozostały jednak media o niskiej stałej dielektrycznej, czyli słabej zdolności do odbijania fal radarowych np. popiół czy cement. Ówczesne moduły mikrofalowe posiadały bowiem zbyt mały stosunek sygnału do szumu, aby w każdym przypadku skutecznie oddzielić właściwe echo od szumu. Z tego w powodu w praktyce nadal 99% urządzeń instalowanych było na cieczach.
2004… – technologia 26 GHz w materiałach sypkich
W 2004 roku w zakresie pomiarów materiałów sypkich nastąpił oczekiwany przeskok na częstotliwość 26 GHz znaną już z aplikacji cieczowych. W tym czasie wprowadzono pierwsze dedykowane dla materiałów sypkich sondy radarowe, takie jak np. VEGAPULS 68. Sondy dla materiałów sypkich wymagały znacznie lepszych parametrów z uwagi na rozproszenie wiązki na stożkach usypowych, więc widoczną zmianą było zwiększenie o 30 dB dynamiki sygnału sond. Dynamika sygnału poprawiła również zasięg – z 35 do 70 m. Dzięki większej częstotliwości rozmiary anten zmniejszyły się około trzykrotne, co w praktyce znacznie ułatwiło montaż. Przykładowo, antena tubowa DN 80 na 26 GHz miała identyczne skupienie jak antena DN 250 dla 6 GHz.
Szybkość urządzeń również została poprawiona, z kilkudziesięciu sekund do około 10.
Dobre parametry oraz zdecydowany spadek cen spowodowały faktyczny problem dla producentów sond ultradźwiękowych (wrażliwych na zapylenie) oraz praktyczne „wymieranie” sond elektromechanicznych ze spuszczanym ciężarkiem.
Sondy w technologii 26 GHz oferowane są do dzisiaj z dwoma rodzajami anten: tubową o średnicy 100 mm i kącie 8 stopni oraz paraboliczną o kącie 4 stopni (niestety rozmiar 250 mm). Z uwagi na wymiary koniecznych króćców anteny tubowe są bardzo wygodne w montażu i stały się standardem. Dla wąskich i wysokich zbiorników lub zbiorników z konstrukcjami wewnętrznymi nie zawsze spełniały one jednak oczekiwania, w związku z tym nadal dla pewnej grupy aplikacji konieczne było wykonanie króćców lub włazów o rozmiarze minimum DN 250 dla anten parabolicznych. 
Doświadczenie wykazało również, że popularna antena tubowa może być w niekorzystnych warunkach wrażliwa na zanieczyszczenie anteny, co powoduje konieczność stosowania przedmuchu sprężonym powietrzem lub okresowego demontażu i czyszczenia. W związku z tym 2005 roku pojawiła się wersja sondy VEGAPULS 67 z anteną, której wnętrze jest całkowicie wypełnione tworzywem sztucznym (małe tłumienie) oraz powierzchnią czołową z PP. Kąt wiązki takiej sondy był jednak nieco większy, więc rozwiązanie nadawało się głównie na mniejsze zbiorniki o prostej konstrukcji i wysokości do 15 m.
2014 rok – 79 GHz pod pokładem
Nadszedł rok 2014 i na rynku pojawiła się sonda pracująca na częstotliwości 79 GHz, zaprojektowana i zbudowana po analizie aplikacji znanych na rynku sond pracujących na niższych częstotliwościach. Urządzenie nie miało być nowością samą dla siebie, ale oferować znacznie większe możliwości i łatwość aplikacji w stosunku do aktualnej oferty. Pierwszym założeniem było zbudowanie sondy, która nie tylko mierzy materiały o niskich stałych dielektrycznych jak popiół, wapno czy klinkier, ale jest także w stanie zmierzyć materiały jeszcze trudniejsze w pomiarze. VEGAPULS 69 to potrafi i jest w stanie zmierzyć materiały jak PVC, drewno o wilgotności < 2%, mleko w proszku o niskiej zawartości tłuszczu itp.
Do tej pory tego typu aplikacje stanowiły głównie domenę sond radarowych z falowodami (kontaktowe). Wymienione media były problematyczne w 2 przypadkach: dużych zbiorników np. powyżej 30 m lub dokładnie odwrotnie – bardzo małych zbiorników o wysokości 1-2 m. Sondy o częstotliwości 26 GHz mają bowiem wysoką czułość mniej więcej powyżej 1 m, natomiast w pobliżu anteny ich czułość jest znacznie mniejsza. W przypadku sondy 79 GHz odległość ta została ograniczona zaledwie do około 30 cm. Co więcej, wyższe częstotliwości dopuszczają do montażu urządzenia w kominku o średnicy 80 mm z anteną czołową (płaską), co było bardzo problematyczne wcześniej. Powodem problemów w takich przypadkach jest bowiem znaczny wzrost szumu dla 26 GHz przy zabudowie sondy w kominku (bez możliwości wystawienia końcówki anteny do wnętrza zbiornika). Wzrost poziomu szumu o 10-30 dB często uniemożliwiał pomiar mediów o słabych właściwościach dielektrycznych przy odległościach mniejszych niż 1 m.
Drugim założeniem konstrukcyjnym było zbudowanie sondy maksymalnie niewrażliwej na zabrudzenie anteny, przy uwzględnieniu faktu, że w wielu miejscach niemożliwy jest przedmuch anteny sprężonym powietrzem. Po testach odrzucono standardową antenę tubową, a zdecydowano się na antenę soczewkową. Jest to antena, która posiada dużą powierzchnię promieniowania i w związku z tym wykazuje bardzo niską czułość na oblepienie. Jednocześnie nie posiada elementów wykonanych ze stali, na których łatwo dochodzi do kondensacji pary wodnej – głównej przyczyny problemów z oblepieniem. Membrany anten wykonano z dwóch materiałów: PP dla wersji ekonomicznej do 80oC oraz z PEEK dla wersji do cięższych aplikacji (z możliwością przedmuchu).
VEGAPULS 69 to najnowsza sonda radarowa marki VEGA przeznaczona do pomiaru poziomu materiałów sypkich. Dzięki zastosowaniu własnej konstrukcji modułu o częstotliwości 79 GHz uzyskano bardzo wąski kąt wiązki – 4° przy wielkości anteny 80 mm i rekordowym na rynku zasięgu 120 m. Dynamika sygnału wynosząca 120 dB umożliwia pomiar mediów o stałych dielektrycznych niższych niż 1,5 np.: tworzyw sztucznych, popiołu, wapna czy klinkieru. VEGAPULS 69 jest odpowiedzią firmy VEGA na problem pomiaru poziomu w bardzo wysokich zbiornikach (w tym segmentowych), dużych bunkrach powyżej 30 m lub dokładnie odwrotnie – w bardzo małych zbiornikach o wysokości 1 – 2 m. Skuteczny pomiar w tak małych zbiornikach możliwy jest dzięki temu, że nowa sonda charakteryzuje się wysoką czułością w odległości zaledwie 30 cm od anteny (dla porównania, sondy o częstotliwości 26 GHz charakteryzują się wysoką czułością na dystansie powyżej 1 m).
Radar VEGAPULS 69 znakomicie nadaje się również do zastosowania w zbiornikach z szybką zmianą poziomu. Pozwala na to najkrótszy na rynku wśród radarów FMCW czas odpowiedzi wynoszący zaledwie 0,7 s. VEGAPULS 69 wykonywany jest w trzech wersjach temperaturowych: 80°C – wersja ekonomiczna do prostych aplikacji, 130°C oraz 200°C do trudniejszych aplikacji. Taka gradacja temperaturowa pozwala na wybranie modelu optymalnego do danej aplikacji zarówno pod względem technicznym, jak i cenowym. W wersji do 80°C antena wykonana jest z polipropylenu. W wersjach 130 i 200°C antena wykonana jest z materiału PEEK. Materiał ten charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną. Regulowany kołnierz pozwalający na zmianę kąta nachylenia sondy, przyłącze do nadmuchu powietrza oraz wysoka odporność anteny na oblepienie i silne zapylenie stanowią dodatkowe atuty urządzenia. Ważną cechą VEGAPULS 69 są dopuszczenia do strefy zagrożonej wybuchem zarówno gazów – strefa 0, jak i pyłów – strefa 20. Dopuszczenia ATEX dostępne są w różnych konfiguracjach – osobno do gazu i osobno do pyłu lub jednocześnie gaz+pył (aplikacje na biomasie lub w górnictwie).
Wszystkie wspomniane cechy VEGAPULS 69 wraz z solidnym wykonaniem, szerokim wyborem kołnierzy ze stali nierdzewnej oraz jakością wykonania i precyzją działania znanych z produktów marki VEGA decydują o tym, że VEGAPULS 69 stanowi kolejny krok w dziedzinie szerszego zastosowania technologii radarowych w przemyśle. Co nie mniej ważne, urządzenie zarówno z anteną PEEK, jak i tą wykonaną z PP jest wyjątkowo proste w montażu z uwagi na niewielkie wymagania dotyczące miejsca i króćca pomiarowego. Oba wykonania sond posiadają zakres 120 m, czyli wysokość zbiornika nie jest już też istotnym parametrem doboru.
Debiut VEGAPULS 69 w 2014 roku oznacza w praktyce, że informacja o typie medium i wywody o doborze anten do konkretnego medium odchodzą powoli do lamusa, za wyjątkiem bardzo nietypowych aplikacji.
Uniwersalne zastosowanie nowej generacji sond radarowych:
Zobacz wszystkie sondy radarowe do pomiaru poziomu cieczy i materiałów sypkich>>>
Autor:
Poziomu-entuzjasta
