Home > Articles > Definisi dan Cara Kerja Radar Level Meter

Read By Categories

Next Event :

Definisi dan Cara Kerja Radar Level Meter

Radar level meter mengukur jarak dari pemancar (yang terletak di suatu titik tinggi) ke permukaan material proses yang terletak lebih jauh di bawah dengan cara yang hampir sama dengan pemancar ultrasonik – dengan mengukur waktu tempuh gelombang yang merambat.

Definisi Radar Level Meter

Perbedaan mendasar antara instrumen radar dan instrumen ultrasonik adalah jenis gelombang yang digunakan: gelombang radio, bukan gelombang suara. Gelombang radio bersifat elektromagnetik (terdiri dari medan listrik dan medan magnet bolak-balik), dan berfrekuensi sangat tinggi (dalam rentang frekuensi gelombang mikro – GHz).

Gelombang suara adalah getaran mekanis (ditransmisikan dari molekul ke molekul dalam cairan atau zat padat) dan memiliki frekuensi yang jauh lebih rendah (puluhan atau ratusan kilohertz – masih terlalu tinggi untuk dideteksi oleh manusia sebagai nada) daripada gelombang radio. Beberapa instrumen tingkat radar menggunakan “probe” pemandu gelombang untuk memandu gelombang elektromagnetik ke dan dari cairan proses, sementara yang lain mengirimkan gelombang elektromagnetik melalui ruang terbuka untuk memantulkan bahan proses.

Baca Juga : Dasar Pengukuran Level Meter

Instrumen yang menggunakan pandu gelombang disebut instrumen radar gelombang terpandu, sedangkan instrumen radar yang mengandalkan ruang terbuka untuk perambatan sinyal disebut radar non-kontak. Perbedaan antara kedua jenis instrumen radar ini ditunjukkan dalam ilustrasi berikut ini:

Radar Level Meter — Perbedaan antara kedua jenis radar

Foto pemancar tingkat radar non-kontak (kiri) dan gelombang terpandu (kanan) ditunjukkan di atas. Pemancar non-kontak ditempatkan di atas meja untuk diperiksa, sedangkan pemancar gelombang terpandu dipasang di dalam “sangkar” yang mirip dengan pemancar level gaya perpindahan yang dipasang ke kapal dengan dua pipa:

Probe yang digunakan dalam instrumen radar gelombang terpandu dapat berupa batang logam tunggal, pasangan paralel batang logam, atau batang logam koaksial dan struktur tabung. Probe batang tunggal mengalami kehilangan energi terbesar, sedangkan probe koaksial unggul dalam memandu energi gelombang mikro ke antarmuka cairan dan kembali.

Namun, probe batang tunggal jauh lebih toleran terhadap pengotoran proses daripada probe dua batang atau (terutama) probe koaksial, di mana massa lengket cairan kental dan/atau benda padat menempel pada probe. Endapan pengotoran seperti itu, jika cukup parah, akan menyebabkan pantulan gelombang elektromagnetik yang “terlihat” ke pemancar seperti pantulan dari tingkat atau antarmuka cairan yang sebenarnya.

Perangkat radar non-kontak mengalami lebih banyak kehilangan sinyal daripada perangkat radar gelombang terpandu, karena kecenderungan alami radiasi elektromagnetik untuk menyebar di ruang angkasa. Waveguides combat mengatasi kehilangan sinyal ini dengan menyalurkan energi radio di sepanjang jalur garis lurus. Probe yang digunakan dalam instrumen radar gelombang terpandu dapat berupa batang logam tunggal, pasangan paralel batang logam, atau batang logam koaksial dan struktur tabung.

Probe batang tunggal mengalami kehilangan energi terbesar, sedangkan probe koaksial unggul dalam memandu energi gelombang mikro ke antarmuka cairan dan kembali. Namun, probe batang tunggal jauh lebih toleran terhadap pengotoran proses daripada probe dua batang atau (terutama) probe koaksial, di mana massa lengket dari cairan kental dan / atau benda padat menempel pada probe.

Endapan pengotoran seperti itu, jika cukup parah, akan menyebabkan pantulan gelombang elektromagnetik yang “terlihat” ke pemancar seperti pantulan dari tingkat atau antarmuka cairan yang sebenarnya.

Instrumen radar non-kontak mengandalkan antena untuk mengarahkan energi gelombang mikro ke dalam bejana, dan untuk menerima energi gema (balik). Antena ini harus dijaga agar tetap bersih dan kering, yang dapat menjadi masalah jika cairan yang diukur mengeluarkan uap yang dapat terkondensasi.

Karena alasan ini, instrumen radar non-kontak sering dipisahkan dari bagian dalam kapal melalui jendela dielektrik (terbuat dari suatu bahan seperti plastik yang relatif “transparan” terhadap gelombang elektromagnetik, tetapi bertindak sebagai penghalang uap yang efektif):

Gelombang elektromagnetik merambat dengan kecepatan cahaya 2,9979 × 108 meter per detik dalam ruang hampa udara yang sempurna. Kecepatan gelombang elektromagnetik melalui ruang bergantung pada permitivitas dielektrik (dilambangkan dengan huruf Yunani “epsilon,” ∈) ruang tersebut.

Rumus yang menghubungkan kecepatan gelombang (v) dengan permitivitas relatif (rasio permitivitas suatu zat dengan ruang hampa sempurna, disimbolkan sebagai ǫr dan kadang-kadang disebut konstanta dielektrik zat) dan kecepatan cahaya dalam ruang hampa sempurna (c) ditunjukkan di sini:

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, kalibrasi pemancar level berbasis gema bergantung pada pengetahuan tentang kecepatan perambatan gelombang melalui medium yang memisahkan instrumen dari antarmuka fluida proses.

Untuk pemancar radar atau transmitter yang mendeteksi cairan tunggal di bawah gas atau uap, kecepatan ini adalah kecepatan cahaya melalui ruang gas atau uap tersebut, yang kita ketahui sebagai fungsi permitivitas listrik.

Baca Juga : Cara Menggunakan Sound Level Meter

Permitivitas relatif udara pada tekanan dan suhu standar hampir mendekati kesatuan (1). Ini berarti kecepatan cahaya di udara di bawah tekanan atmosfer dan suhu sekitar akan hampir sama dengan kecepatan cahaya di ruang hampa udara yang sempurna (2,9979 × 108 meter per detik).

Namun, jika ruang uap di atas cairan bukan merupakan udara ambien, dan tunduk pada perubahan besar pada suhu dan/atau tekanan yang menyebabkan kerapatan uap berubah, maka permitivitas uap tersebut dapat berubah secara substansial dan akibatnya menggeser kecepatan cahaya, dan oleh karena itu, kalibrasi instrumen level. Pergeseran kalibrasi ini terkadang disebut sebagai efek fase gas. Rumus yang berguna untuk menghitung permitivitas gas atau uap berdasarkan tekanan dan suhu ditunjukkan di sini:

Dimana,

∈r = Permitivitas relatif gas pada tekanan (P) dan suhu (T) tertentu
∈ref = Permitivitas relatif dari gas yang sama pada tekanan standar (Pref) dan suhu (Tref)
P = Tekanan absolut gas (bar)
Pref = Tekanan absolut gas dalam kondisi standar (≈ 1 bar)
T = Suhu absolut gas (Kelvin)
Tref = Suhu absolut gas dalam kondisi standar (≈ 273 K)

Rumus ini didasarkan pada prinsip bahwa permitivitas curah adalah fungsi dari densitas. Kita dapat melihat mengapa hal ini terjadi dengan menjalankan “eksperimen pemikiran” di mana sampel gas menjadi lebih padat. Ketika kepadatan gas meningkat, lebih banyak molekul gas akan dikemas ke dalam volume ruang yang sama.

Jika permitivitas setiap molekul gas lebih besar daripada permitivitas ruang kosong, maka dengan adanya lebih banyak molekul gas, maka permitivitas volume tersebut akan meningkat.

Permitivitas yang lebih besar, tentu saja, mengurangi kecepatan cahaya melalui gas, dan dengan demikian mempengaruhi kalibrasi instrumen radar. Menghubungkan konsep ini dengan variasi tekanan dan suhu dalam gas, kita dapat melihat bahwa permitivitas gas meningkat dengan meningkatnya tekanan (dengan meningkatkan densitas gas), dan menurun dengan meningkatnya suhu (dengan menurunkan densitas gas).

Ini berarti kecepatan cahaya melalui gas menurun dengan meningkatnya tekanan, dan meningkat dengan meningkatnya suhu. Untuk instrumen level radar yang beroperasi di lingkungan gas yang memiliki variasi tekanan dan suhu (yaitu kepadatan) yang signifikan, variasi kecepatan cahaya yang melalui gas tersebut akan mengganggu keakuratan instrumen. Dengan instrumen level ultrasonik, kondisi yang diperlukan agar gema terjadi adalah gelombang suara mengalami perubahan kepadatan material secara tiba-tiba.

Pada instrumen tingkat radar, kondisi yang diperlukan untuk pemantulan gelombang adalah perubahan mendadak pada permitivitas dielektrik (∈). Ketika gelombang elektromagnetik mengalami perubahan mendadak dalam permitivitas dielektrik, sebagian energi gelombang tersebut akan dipantulkan dalam bentuk gelombang lain yang bergerak ke arah yang berlawanan, sementara sisa energi gelombang terus maju untuk merambat ke dalam material baru. Kekuatan sinyal yang dipantulkan bergantung pada seberapa besar perbedaan permitivitas kedua bahan tersebut:

Prinsip yang sama ini juga menjelaskan sinyal yang dipantulkan dalam saluran transmisi tembaga. Setiap diskontinuitas (perubahan mendadak dalam impedansi karakteristik) di sepanjang saluran transmisi akan memantulkan sebagian daya sinyal listrik kembali ke sumbernya. Dalam saluran transmisi, kontinuitas dapat dibentuk oleh jepitan, putus, atau korsleting. Dalam sistem pengukuran level radar, setiap perubahan mendadak dalam permitivitas listrik merupakan diskontinuitas yang memantulkan sebagian energi gelombang yang datang kembali ke sumbernya.

Dengan demikian, instrumen level radar berfungsi paling baik ketika ada perbedaan besar dalam permitivitas antara dua zat pada antarmuka. Seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi sebelumnya, udara dan air memenuhi kriteria ini, memiliki rasio permitivitas 80:1.

Rasio daya yang dipantulkan terhadap daya yang datang (ditransmisikan) pada setiap antarmuka bahan disebut faktor pantulan daya (R). Hal ini dapat dinyatakan sebagai rasio tanpa satuan, atau lebih sering sebagai angka desibel. Hubungan antara permitivitas dielektrik dan faktor refleksi adalah sebagai berikut:

Dimana,

R = Faktor refleksi daya pada antarmuka, sebagai rasio tanpa satuan
∈r1 = Permitivitas relatif (konstanta dielektrik) dari medium pertama,
∈r2 = Permitivitas relatif (konstanta dielektrik) dari medium kedua

Fraksi daya insiden yang ditransmisikan melalui antarmuka (Pforward/Pincident), tentu saja, merupakan komplemen matematis dari faktor refleksi daya: 1 – R.

Untuk situasi di mana medium pertama adalah udara atau gas dengan permitivitas rendah lainnya, rumusnya disederhanakan menjadi bentuk berikut (dengan ∈r adalah permitivitas relatif zat pemantul):

Pada ilustrasi sebelumnya, dua media adalah udara (∈r ≈ 1) dan air (∈r ≈ 80) – skenario yang hampir ideal untuk pemantulan sinyal yang kuat. Dengan nilai permitivitas relatif ini, faktor pantulan daya memiliki nilai 0,638 (63,8%), atau -1,95 dB.

Ini berarti lebih dari setengah daya yang datang memantul dari antarmuka udara/air untuk membentuk sinyal gema yang kuat, dengan 0,362 (36,2%) daya gelombang yang tersisa berjalan melalui antarmuka udara-air dan merambat ke dalam air.

Jika cairan yang dimaksud adalah bensin dan bukan air (memiliki nilai permitivitas relatif yang agak rendah, sekitar 2), maka rasio pemantulan daya hanya 0,0294 (2,94%) atau -15,3 dB, dengan sebagian besar daya gelombang berhasil menembus antarmuka udara-bensin. Versi yang lebih panjang dari rumus faktor refleksi daya menunjukkan bahwa antarmuka cair-cair seharusnya dapat dideteksi dengan menggunakan radar, dan memang benar.

Yang diperlukan hanyalah perbedaan permitivitas yang cukup besar antara kedua cairan untuk menciptakan gema yang cukup kuat agar dapat dideteksi secara andal. Pengukuran tingkat antarmuka cair-cair dengan radar bekerja paling baik ketika cairan bagian atas memiliki nilai permitivitas yang jauh lebih rendah daripada cairan bagian bawah.

Lapisan minyak hidrokarbon di atas air (atau larutan berair seperti asam atau kaustik) adalah kandidat yang baik untuk pengukuran level radar gelombang terpandu. Contoh antarmuka cair-cair yang akan sangat sulit dideteksi oleh instrumen radar adalah air (∈r ≈ 80) di atas gliserin (∈r ≈ 42).

Jika instrumen radar menggunakan protokol jaringan digital untuk mengkomunikasikan informasi dengan sistem host (seperti HART atau sejumlah standar “fieldbus”), instrumen ini dapat berfungsi sebagai pemancar multi-variabel, mentransmisikan pengukuran level antarmuka dan pengukuran level cairan secara bersamaan.

Kemampuan ini cukup unik untuk pemancar radar gelombang terpandu, dan sangat berguna dalam beberapa proses karena menghilangkan kebutuhan akan beberapa instrumen yang mengukur berbagai level. Salah satu alasan mengapa fluida yang lebih kecil di atas fluida yang lebih besar lebih mudah dideteksi daripada kebalikannya adalah karena sinyal harus melewati antarmuka gas-cair di atas antarmuka cair-cair.

Dengan gas dan uap yang memiliki nilai ǫ yang sangat kecil, sinyal harus melewati antarmuka gas-cair terlebih dahulu untuk mencapai antarmuka cair-cair. Antarmuka gas-cair ini, yang memiliki perbedaan terbesar dalam nilai ǫ dari semua antarmuka di dalam bejana, akan menjadi yang paling reflektif terhadap energi elektromagnetik di kedua arah.

Dengan demikian, hanya sebagian kecil dari gelombang yang datang yang akan mencapai antarmuka cair-cair, dan sebagian kecil gelombang yang dipantulkan dari antarmuka cair-cair (yang merupakan sebagian kecil dari daya gelombang maju yang berhasil melewati antarmuka gas-cair dalam perjalanan ke bawah) yang akan berhasil melewati antarmuka gas-cair dalam perjalanan kembali ke instrumen.

Situasinya akan jauh lebih baik jika nilai ǫ dari dua lapisan cairan dibalik, seperti yang ditunjukkan dalam perbandingan hipotetis ini (semua perhitungan mengasumsikan tidak ada disipasi daya di sepanjang jalan, hanya pantulan pada antarmuka):

Seperti yang bisa Anda lihat dalam ilustrasi, perbedaan daya yang diterima kembali pada instrumen hampir dua banding satu, hanya dari cairan bagian atas yang memiliki nilai ǫ yang lebih kecil dari dua nilai ǫ yang identik.

Tentu saja, dalam kehidupan nyata Anda tidak memiliki kemewahan untuk memilih cairan mana yang akan berada di atas yang lain (ini ditentukan oleh kepadatan cairan), tetapi Anda memiliki kemewahan untuk memilih teknologi pengukuran tingkat antarmuka cair-cair yang sesuai, dan seperti yang Anda lihat di sini, beberapa orientasi nilai ǫ tertentu kurang dapat dideteksi oleh radar dibandingkan dengan yang lain.

Faktor lain yang bekerja melawan radar sebagai teknologi pengukuran antarmuka cair-cair untuk antarmuka di mana cairan bagian atas memiliki konstanta dielektrik yang lebih besar adalah fakta bahwa banyak cairan tinggi yang berair, dan air dengan mudah menghilangkan energi gelombang mikro.

Fakta ini dieksploitasi dalam oven microwave, di mana radiasi gelombang mikro menggairahkan molekul air dalam makanan, menghilangkan energi dalam bentuk panas. Untuk sistem pengukuran level berbasis radar yang terdiri dari gas/uap di atas air di atas cairan lain (yang lebih berat), sinyal gema akan sangat lemah karena sinyal harus melewati lapisan air yang “lossy” sebanyak dua kali sebelum kembali ke instrumen radar.

Kehilangan energi elektromagnetik penting untuk dipertimbangkan dalam instrumentasi tingkat radar, bahkan ketika antarmuka yang terdeteksi hanya berupa gas (atau uap) di atas cairan.

Rumus faktor refleksi daya hanya memprediksi rasio daya yang dipantulkan terhadap daya yang datang pada antarmuka zat. Hanya karena antarmuka udara-air memantulkan 63,8% daya yang datang, bukan berarti 63,8% daya yang datang akan benar-benar kembali ke antena transceiver! Setiap kehilangan disipatif antara transceiver dan antarmuka yang menjadi perhatian akan melemahkan sinyal, sampai-sampai sulit untuk membedakannya dari noise. Faktor penting lainnya dalam memaksimalkan daya yang dipantulkan adalah sejauh mana gelombang mikro menyebar dalam perjalanannya ke antarmuka cairan dan kembali ke transceiver.

Instrumen radar gelombang terpandu menerima persentase yang jauh lebih besar dari daya yang dipancarkan daripada instrumen radar non-kontak karena probe logam yang digunakan untuk memandu pulsa sinyal gelombang mikro membantu mencegah gelombang menyebar (dan karena itu melemah) ke seluruh cairan saat merambat.

Dengan kata lain, probe berfungsi sebagai jalur transmisi untuk mengarahkan dan memfokuskan energi gelombang mikro, memastikan jalur lurus dari instrumen ke dalam cairan, dan jalur balik gema yang lurus dari cairan kembali ke instrumen. Inilah sebabnya mengapa radar gelombang terpandu merupakan satu-satunya teknologi radar praktis untuk mengukur antarmuka cair-cair.

Faktor yang sangat penting dalam pengukuran level yang akurat menggunakan instrumen radar adalah bahwa permitivitas dielektrik setiap zat yang berada di antara instrumen radar dan antarmuka yang diminati harus diketahui secara akurat.

Alasan untuk hal ini berakar pada ketergantungan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik terhadap permitivitas relatif. Mengingat rumus kecepatan gelombang yang ditunjukkan sebelumnya:

Dimana :

v = Kecepatan gelombang elektromagnetik yang melalui zat tertentu
c = Kecepatan cahaya dalam ruang hampa udara yang sempurna (≈ 3 × 108 meter per detik)
∈r = Permitivitas relatif (konstanta dielektrik) zat tersebut

Dalam kasus aplikasi cairan tunggal di mana tidak ada apa pun selain gas atau uap yang ada di atas cairan, permitivitas gas atau uap tersebut harus diketahui dengan tepat.

Dalam kasus antarmuka dua cairan dengan gas atau uap di atas, permitivitas relatif gas dan cairan atas harus diketahui secara akurat untuk mengukur antarmuka cairan-cairan secara akurat. Perubahan nilai konstanta dielektrik medium atau media yang dilalui gelombang mikro dan gema akan menyebabkan radiasi gelombang mikro merambat dengan kecepatan yang berbeda.

Karena semua pengukuran radar didasarkan pada waktu terbang melalui media yang memisahkan transceiver radar dari antarmuka gema, perubahan kecepatan gelombang melalui media ini akan memengaruhi jumlah waktu yang diperlukan gelombang untuk bergerak dari transceiver ke antarmuka gema, dan memantul kembali ke transceiver. Oleh karena itu, perubahan konstanta dielektrik relevan dengan keakuratan pengukuran level radar.

Faktor-faktor yang mempengaruhi konstanta dielektrik gas termasuk tekanan dan suhu, yang berarti akurasi instrumen level radar akan bervariasi karena tekanan gas dan/atau suhu gas bervariasi!

Hal ini sering disebut sebagai efek fase gas. Apakah variasi ini cukup substansial atau tidak untuk dipertimbangkan dalam aplikasi apa pun, tergantung pada akurasi pengukuran yang diinginkan dan tingkat perubahan permitivitas dari satu tekanan/suhu yang ekstrem ke tekanan/suhu yang lain. Instrumen radar tidak boleh dipertimbangkan untuk aplikasi pengukuran level apa pun kecuali jika nilai konstanta dielektrik dari media atas diketahui dengan tepat.

Baca Juga : Terminologi Pengukuran Level

Hal ini serupa dengan ketergantungan pada densitas cairan yang dihadapi oleh instrumen level hidrostatik. Sia-sia untuk mencoba pengukuran level berdasarkan tekanan hidrostatik jika densitas cairan tidak diketahui atau sangat bervariasi, dan sama sia-sianya jika mencoba pengukuran level berdasarkan radar jika konstanta dielektrik tidak diketahui atau sangat bervariasi.

Salah satu cara untuk mengimbangi efek fase gas pada instrumen level radar adalah dengan melengkapi instrumen dengan probe referensi dengan orientasi panjang tetap sedemikian rupa sehingga seluruh panjangnya selalu berada di atas level cairan (yaitu hanya mendeteksi gas).

Jika permitivitas gas konstan, waktu gema di sepanjang probe referensi ini akan tetap sama. Namun, jika permitivitas gas berubah, waktu gema probe referensi juga akan berubah, sehingga memungkinkan mikroprosesor instrumen untuk mengukur permitivitas gas dan akibatnya menyesuaikan perhitungan untuk level cairan berdasarkan perubahan yang diketahui ini.

Konsep ini analog dengan probe kompensasi yang terkadang digunakan dalam sensor level kapasitif, yang dirancang untuk mengukur permitivitas fluida untuk mengkompensasi setiap perubahan dalam parameter kritis ini.

Seperti halnya instrumen level ultrasonik, instrumen level radar dapat merasakan level zat padat dalam bejana (misalnya bubuk dan butiran) dan bukan hanya cairan. Namun, peringatan yang sama tentang sudut istirahat yang berlaku untuk pengukuran level ultrasonik juga merupakan faktor untuk pengukuran radar.

Selain itu, kepadatan partikulat padat yang rendah (yaitu sejumlah besar udara di antara partikel padat) cenderung mengurangi konstanta dielektrik material dan dengan demikian melemahkan gema radar.

Referensi : instrumentationtools.com

770