فرستنده‌های سطح راداری (Radar Level Transmitters)، که به عنوان گیج‌های سطح راداری (radar level gauges) یا حسگرهای سطح (level sensors) نیز شناخته می‌شوند، نوعی حسگر هستند که به طور گسترده در صنایع مختلف برای نظارت مداوم بر سطح مواد درون مخازن (tanks)، سیلوها (silos) و چاه‌ها (wells) مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ابزارها بر اساس فناوری امواج الکترومغناطیسی (electromagnetic wave technology)، به طور خاص در محدوده فرکانس مایکروویو (microwave frequency range)، معمولاً بین 1.5 گیگاهرتز (GHz) و 100 گیگاهرتز (GHz) کار می‌کنند.

اصل اساسی اندازه‌گیری شامل فرستنده (transmitter) است که یک سیگنال راداری (radar signal) را به سمت سطح ماده ساطع می‌کند. هنگامی که این سیگنال به سطح می‌رسد، به سمت حسگر (sensor) منعکس می‌شود. سپس فرستنده تأخیر زمانی (time delay) بین انتشار (emission) و دریافت (reception) سیگنال منعکس شده را اندازه‌گیری می‌کند. با دانستن اینکه امواج الکترومغناطیسی (electromagnetic waves) با سرعت نور منتشر می‌شوند، این ابزار می‌تواند به طور دقیق فاصله تا سطح مایع یا جامد را محاسبه کرده و در نتیجه سطح مواد درون مخزن را تعیین کند. این روش اغلب به عنوان اصل زمان پرواز (time of flight principle) شناخته می‌شود.

فرستنده‌های سطح راداری در دو نوع اصلی موجود هستند: غیرتماسی (non-contact/air-firing)، که در آن امواج رادار (radar waves) آزادانه از طریق هوا به سمت سطح ماده منتقل می‌شوند، و موج هدایت‌شده (guided wave/contact)، که در آن پالس‌ها (pulses) در امتداد یک پروب (probe/rod or cable) که در تماس با ماده است، هدایت می‌شوند. هر دو نوع برای تعیین سطح به تجزیه و تحلیل امواج رادار منعکس شده متکی هستند. عواملی مانند ثابت دی الکتریک (dielectric constant) ماده می‌توانند بر قدرت بازتاب و در نتیجه کیفیت اندازه‌گیری تأثیر بگذارند. این دستگاه‌ها کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز (oil and gas)، پتروشیمی (petrochemical)، شیمیایی (chemical)، تصفیه آب و فاضلاب (water and wastewater treatment)، مواد غذایی و نوشیدنی (food and beverage)، دارویی (pharmaceutical) و حتی در اندازه‌گیری سطح مواد جامد (solids) و سوخت (fuels) پیدا می‌کنند.

اصول کار فرستنده‌های سطح رادار را می‌توان به طور کلی به دو نوع اصلی دسته‌بندی کرد: رادار غیرتماسی (شلیک هوایی) (non-contact/air-firing radar) و رادار موج هدایت‌شده (تماسی) (guided wave/contact radar). هر یک از اینها بر اساس اصول کمی متفاوت برای دستیابی به هدف یکسان اندازه‌گیری دقیق سطح مواد مختلف عمل می‌کنند.

فرستنده‌های سطح رادار غیرتماسی (شلیک هوایی):

فرستنده‌های سطح رادار غیرتماسی بر اساس اصل اساسی زمان پرواز (TOF) (time of flight) یا بازتاب‌سنجی حوزه زمان (TDR) (time domain reflectometry) عمل می‌کنند. این فرآیند با فرستنده‌ای شروع می‌شود که پالس‌های رادار با فرکانس بالا (high-frequency radar pulses)، معمولاً در محدوده مایکروویو (microwave range)، را به سمت سطح محصولی که اندازه‌گیری می‌شود، ساطع می‌کند. این پالس‌های الکترومغناطیسی (electromagnetic pulses) با سرعت نور (speed of light) از طریق هوا یا فاز گازی بالای ماده حرکت می‌کنند. هنگامی که این پالس‌ها با تغییر قابل توجهی در ثابت دی الکتریک (dielectric constant)، مانند فصل مشترک بین هوا (یا گاز) و سطح مایع یا جامد، مواجه می‌شوند، بخشی از انرژی به سمت حسگر رادار بازتاب (reflected back) می‌یابد. انرژی باقیمانده ممکن است بیشتر به داخل محیط نفوذ کند. کلید اندازه‌گیری سطح در توانایی فرستنده برای اندازه‌گیری دقیق تأخیر زمانی (measure the time delay) بین انتشار پالس رادار و دریافت سیگنال اکوی منعکس شده نهفته است. هنگامی که این تأخیر زمانی به طور دقیق تعیین شد، فاصله تا سطح محصول (distance to the product surface) را می‌توان با استفاده از یک فرمول ساده محاسبه کرد: فاصله = (سرعت نور × تأخیر زمانی) / 2. تقسیم بر دو به این دلیل است که پالس به سمت سطح و سپس به حسگر بازمی‌گردد.

به طور عمده دو روش در رادار غیرتماسی به کار می‌رود: رادار پالسی (pulse radar) و رادار موج پیوسته مدوله‌شده فرکانسی (FMCW) (Frequency Modulated Continuous Wave radar). در رادار پالسی، انفجارهای کوتاه انرژی با فرکانس بالا ساطع می‌شوند. سپس فرستنده قبل از انتشار پالس بعدی منتظر پالس منعکس شده می‌ماند. فاصله زمانی بین انتقال و دریافت مستقیماً اندازه‌گیری می‌شود. در مقابل، رادار FMCW یک سیگنال مایکروویو پیوسته (continuous microwave signal) را منتقل می‌کند که فرکانس آن به طور پیوسته در یک پهنای باند خاص تغییر می‌کند (continuously varied). هنگامی که سیگنال ارسالی به سطح می‌رسد و بازتاب می‌یابد، فرکانس سیگنال دریافتی با فرکانس سیگنالی که در آن لحظه دقیق ارسال می‌شود مقایسه می‌شود. اختلاف فرکانس (difference in frequency) بین سیگنال‌های ارسالی و دریافتی مستقیماً متناسب با فاصله (directly proportional to the distance) تا سطح مایع است. سپس این اختلاف فرکانس با استفاده از تکنیک‌هایی مانند تبدیل فوریه سریع (FFT) (Fast Fourier Transformation) در داخل الکترونیک رادار برای تعیین فاصله پردازش می‌شود. نسخه‌های اولیه رادار FMCW که در فرکانس‌های پایین‌تر مانند 6 گیگاهرتز کار می‌کردند، ممکن است محدوده فرکانس دلتای کوچکتری داشته باشند و پردازش نرم‌افزاری نقش مهمی در تبدیل این به یک اندازه‌گیری دقیق فاصله ایفا می‌کند.

قدرت سیگنال رادار منعکس شده به طور قابل توجهی تحت تأثیر ثابت دی الکتریک (dielectric constant) محصول قرار دارد. موادی با ثابت دی الکتریک بالا (high dielectric constant)، مانند آب، بخش بیشتری از انرژی رادار تابیده شده را منعکس می‌کنند و در نتیجه یک اکوی قوی و واضح ایجاد می‌کنند. در مقابل، محصولاتی با ثابت دی الکتریک پایین (low dielectric constant)، مانند بسیاری از هیدروکربن‌ها یا روغن‌ها، بخش بیشتری از پالس رادار را جذب کرده و انرژی کمتری را منعکس می‌کنند، که می‌تواند منجر به اندازه‌گیری‌های ضعیف‌تر یا کمتر قابل اعتماد شود. عواملی مرتبط با سطح محصول، مانند تلاطم یا هم زدن، می‌توانند با پراکنده کردن امواج رادار دور از گیرنده، بر بازتاب سیگنال نیز تأثیر بگذارند. رادارهای با فرکانس بالاتر با زاویه شعاع باریک‌تر (beam angles) می‌توانند در کاهش تأثیر ساختارهای داخلی مخزن یا سطوح متلاطم با ارائه یک سیگنال متمرکزتر، سودمند باشند. زاویه شعاع (beam angle)، که به عنوان زاویه‌ای تعریف می‌شود که در آن نیمی از انرژی رادار متمرکز شده است، برای یک فرکانس معین با اندازه آنتن نسبت معکوس دارد و مستقیماً با خود فرکانس مرتبط است (فرکانس بالاتر = زاویه شعاع باریک‌تر). یک شعاع باریک‌تر به جلوگیری از اکوهای کاذب از دیواره‌های مخزن یا موانع کمک می‌کند.

فرستنده‌های سطح رادار موج هدایت‌شده (تماسی):

فرستنده‌های سطح رادار موج هدایت‌شده (GWR) (Guided wave radar) رویکرد متفاوتی را برای اندازه‌گیری سطح مبتنی بر رادار ارائه می‌دهند. GWR به جای ارسال آزادانه پالس‌های رادار در فضا، از اصل بازتاب‌سنجی حوزه زمان (TDR) (time domain reflectometry) برای هدایت پالس‌های الکترومغناطیسی با انرژی کم (low-energy electromagnetic pulses) در امتداد یک پروب (probe) فیزیکی که در تماس مستقیم با محیط اندازه‌گیری است، استفاده می‌کند. این پروب می‌تواند یک میله صلب، یک کابل انعطاف‌پذیر یا یک پروب هم‌محور باشد که انتخاب آن به الزامات کاربرد بستگی دارد. هنگامی که پالس ارسالی به یک فصل مشترک با خاصیت دی الکتریک (dielectric property) متفاوت، مانند سطح مایع یا جامد، می‌رسد، بخشی از انرژی پالس در امتداد پروب به الکترونیک پردازش فرستنده بازتاب (reflected back) می‌یابد. مشابه رادار غیرتماسی، فرستنده GWR تفاوت زمانی (time difference) بین ارسال پالس و رسیدن اولین اکوی بازتاب قابل توجه را اندازه‌گیری می‌کند (measures the time difference). با دانستن سرعت انتشار (speed of propagation) مؤثر پالس الکترومغناطیسی در امتداد پروب (که معمولاً نزدیک به سرعت نور است اما می‌تواند کمی تحت تأثیر ویژگی‌های پروب و محیط اطراف قرار گیرد)، فرستنده می‌تواند به طور دقیق فاصله تا سطح بازتابنده (distance to the reflecting surface) را محاسبه کرده و در نتیجه سطح را تعیین کند.

یکی از مزایای قابل توجه فناوری رادار موج هدایت‌شده، توانایی آن در اندازه‌گیری فصل مشترک مایعات (measure liquid interfaces) است. در کاربردهایی که دو مایع امتزاج‌ناپذیر با ثابت دی الکتریک متفاوت وجود دارد (به عنوان مثال، نفت و آب)، پالس رادار دو بازتاب مجزا ایجاد می‌کند: یکی از سطح مایع بالایی و دیگری از فصل مشترک بین دو مایع. فرستنده GWR با تجزیه و تحلیل تأخیرهای زمانی و دامنه این بازتاب‌ها می‌تواند به طور همزمان هم سطح بالایی و هم سطح فصل مشترک را تعیین کند. این قابلیت به ویژه در صنایعی مانند نفت و گاز برای نظارت بر مخلوط‌های نفت خام و آب ارزشمند است. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های GWR به طور کلی به طور قابل توجهی تحت تأثیر تغییرات شرایط فرآیند (not significantly affected by changes in process conditions) مانند دما، فشار، ویسکوزیته، چگالی، رسانایی یا وجود فوم، گرد و غبار یا بخارات بالای سطح مایع قرار نمی‌گیرند. ماهیت هدایت‌شده پالس، تأثیر این عوامل بر مسیر سیگنال و بازتاب را به حداقل می‌رساند. این استحکام، GWR را برای کاربردهای چالش‌برانگیز شامل سطوح متلاطم، مایعات در حال جوش و محیط‌هایی با خواص متغیر مناسب می‌سازد.

در حالی که GWR یک اندازه‌گیری تماسی است، تماس مستقیم از طریق پروب مزایای خاصی را ارائه می‌دهد، به ویژه در کاربردهایی با مواد با ثابت دی الکتریک پایین که رادار غیرتماسی ممکن است با بازتاب‌های ضعیف دچار مشکل شود. با این حال، جنس پروب باید از نظر خورندگی، دما و فشار با محیط فرآیند سازگار باشد. نصب فرستنده‌های GWR معمولاً شامل نصب عمودی پروب از بالای مخزن است و اطمینان حاصل می‌شود که طول پروب برای محدوده اندازه‌گیری مناسب است. در برخی موارد، به ویژه در شرایط متلاطم یا در صورت وجود همزن، ممکن است از یک لوله بای پس (bypass pipe) برای ایجاد یک چاه آرام برای پروب استفاده شود و اندازه‌گیری پایدار و قابل اعتماد تضمین شود. علیرغم اینکه ماهیت تماسی به طور بالقوه منجر به سایش کمی بیشتر در مقایسه با انواع غیرتماسی می‌شود، رادار موج هدایت‌شده دقت و قابلیت اطمینان بالایی را در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله اندازه‌گیری مایعات، جامدات و فصل مشترک ارائه می‌دهد. این فناوری به طور مداوم در حال تکامل است و پیشرفت‌ها در پردازش سیگنال امکان بهبود عملکرد را حتی در سناریوهای پیچیده‌تر فراهم می‌کند.

حتماً، در ادامه، ترجمه کامل و دقیق متن “Radar Level Measurement Study Guide” به زبان فارسی، همراه با حفظ ساختار و بدون کاستن از محتوا، و با ذکر اصطلاحات تخصصی در پرانتز آمده است:

مفاهیم کلیدی (Key Concepts)

طیف الکترومغناطیسی (Electromagnetic Spectrum): کل محدوده تابش الکترومغناطیسی، از جریان متناوب با فرکانس پایین (AC Current) تا تابش گامای با فرکانس بسیار بالا (Gamma Radiation). فناوری رادار از یک باند خاص در این طیف استفاده می‌کند.

باندهای فرکانسی رادار (Radar Frequency Bands): اندازه‌گیری سطح با رادار معمولاً در بازه‌ای بین ۱.۵ گیگاهرتز (GHz) تا ۱۰۰ گیگاهرتز انجام می‌شود. باندهای متداول شامل ۱.۵، ۶، ۸ تا ۱۰، ۲۶ و ۸۰ گیگاهرتز هستند.

طول موج (Wavelength): فاصله بین دو قله‌ی متوالی یک موج. فرکانس بالاتر معادل با طول موج کوتاه‌تر است، و برعکس. این ویژگی بر اندازه آنتن و رفتار سیگنال تأثیر می‌گذارد.

اندازه آنتن و فرکانس (Antenna Size and Frequency): رادارهایی با فرکانس پایین‌تر به آنتن‌های بزرگ‌تری نیاز دارند، در حالی که رادارهای با فرکانس بالاتر می‌توانند از آنتن‌های کوچک‌تر استفاده کنند.

زاویه پرتو (Beam Angle): زاویه‌ای که در آن توان سیگنال رادار متمرکز می‌شود. زاویه پرتو کوچک‌تر اندازه‌گیری متمرکزتری ارائه می‌دهد، در حالی که زاویه‌ی بازتر در مواجهه با سطوح متلاطم بهتر عمل می‌کند. زاویه پرتو معمولاً جایی را نشان می‌دهد که نیمی از انرژی در آن متمرکز است.

اصل زمان پرواز (Time of Flight – TOF): اصل کار اندازه‌گیری سطح با رادار بر این اساس است. حسگر یک پالس راداری ارسال کرده و زمان رفت‌وبرگشت پالس از حسگر به سطح و بازگشت به حسگر را اندازه‌گیری می‌کند تا فاصله محاسبه شود.

سرعت نور (Speed of Light): سرعت ثابتی که امواج الکترومغناطیسی (از جمله رادار) در خلأ با آن منتشر می‌شوند. این پارامتر برای محاسبه دقیق فاصله در اندازه‌گیری سطح حیاتی است.

فاصله خالی، فاصله پر و دامنه (Empty Distance, Full Distance, and Range): پارامترهایی که در هنگام راه‌اندازی اولیه سنسور راداری استفاده می‌شوند. فاصله خالی از حسگر تا سطح صفر درصد، فاصله پر محدوده کامل اندازه‌گیری، و این مقادیر برای تعیین سیگنال خروجی ۴-۲۰ میلی‌آمپر استفاده می‌شوند.

ثابت دی‌الکتریک (Dielectric Constant): معیاری از توانایی یک ماده در ذخیره انرژی الکتریکی در یک میدان. این مقدار بر بازتاب سیگنال رادار تأثیر می‌گذارد؛ مواد با ثابت دی‌الکتریک بالا، بازتاب قوی‌تری دارند، در حالی که مواد با ثابت پایین انرژی بیشتری جذب می‌کنند.

رادار بدون تماس (Non-Contact Radar): اندازه‌گیری سطحی که در آن حسگر با ماده تماس مستقیم ندارد. سیگنال رادار از طریق هوا یا فضای گازی حرکت می‌کند.

رادار با موج هدایت‌شده (Guided Wave Radar – GWR): نوعی رادار که در آن پالس‌های راداری از طریق یک میله یا کابل که با ماده در تماس است هدایت می‌شوند.

رادار پخش در هوا (Air Firing Radar): اصطلاح دیگری برای رادار بدون تماس، که در آن سیگنال رادار آزادانه در هوا پخش می‌شود.

فناوری پالس راداری (Pulse Radar Technique): روشی بدون تماس که در آن پالس‌های کوتاه با فرکانس بالا ارسال می‌شود.

رادار موج پیوسته با فرکانس مدوله‌شده (Frequency Modulated Continuous Wave – FMCW): تکنیکی در رادارهای بدون تماس که در آن فرکانس موج ارسالی به طور پیوسته تغییر می‌کند.

اتصال به فرآیند (Process Connection): نقطه‌ای که سنسور راداری به مخزن متصل می‌شود (مثلاً فلنج یا رزوه).

تراکم بخار (Condensation): تشکیل قطرات مایع روی سطوح که می‌تواند بر ارسال و دریافت سیگنال رادار، به‌ویژه در فرکانس‌های بالا، اثر منفی بگذارد.

سطوح متلاطم (Turbulent Surfaces): سطوح مایعی که به دلیل تلاطم، ناصاف یا متغیر هستند و می‌توانند سیگنال را پخش یا منحرف کنند.

گرد و غبار و کف (Dust and Foam): موانعی که می‌توانند مانع انتشار یا بازتاب مناسب سیگنال رادار شوند.

جذب (Absorption): پدیده‌ای که در آن برخی مواد انرژی رادار را جذب کرده و موجب کاهش شدت سیگنال بازگشتی می‌شوند. مثلاً آمونیاک فرکانس ۲۶ گیگاهرتز و استون فرکانس ۸۰ گیگاهرتز را جذب می‌کنند.

اندازه‌گیری سطح بین دو مایع (Interface Measurement): اندازه‌گیری مرز بین دو مایع غیرقابل اختلاط. در این کاربرد معمولاً از رادار هدایت‌شده استفاده می‌شود، نه رادار فضای آزاد.

نقاط مرده بالا و پایین (Top and Bottom Dead Zones): نواحی نزدیک به حسگر و کف مخزن که به علت رفتار خاص سیگنال، دقت اندازه‌گیری ممکن است کاهش یابد.

بازتاب‌های چندگانه (Multiple Reflections): بازتاب‌هایی که از چند سطح (مثل دو لایه مایع) ایجاد شده و باید به درستی توسط حسگر تفسیر شوند.

نیروی جانبی ماده بر حسگر (Process Medium Lateral Force): نیرویی که ماده متلاطم به صورت جانبی به حسگر راداری هدایت‌شده وارد می‌کند.

نیروی کششی (Pull Force – P-Force): نیروی رو به پایین ناشی از خروج سیال که به حسگر وارد می‌شود و ممکن است قابل توجه باشد.

لوله آرام‌ساز (Steering Well / Still Well): لوله‌ای عمودی درون مخزن که به منظور آرام‌سازی سطح برای اندازه‌گیری دقیق‌تر با رادار نصب می‌شود.

لوله بای‌پس (Bypass Tube): محفظه‌ای عمودی خارج از مخزن اصلی که حسگر در آن نصب می‌شود و محیطی پایدار برای اندازه‌گیری فراهم می‌سازد، به‌ویژه در مخازنی با موانع داخلی یا اندازه‌گیری سطح بین دو مایع.