Radar Sensor

 Radar sensor (อ่านว่า: เรดาร์เซ็นเซอร์) คือ อุปกรณ์สำหรับวัดระดับโดยใช้คลื่นไมโครเวฟ ซึ่งอาศัยหลักการสะท้อนของคลื่นไมโครเวฟ โดย Radar sensor จะปล่อยคลื่นไมโครเวฟ ให้กระทบกับวัตถุจากนั้นรอคลื่นไมโครเวฟสะท้อนกับมาที่เซ็นเซอร์และคำนวณระยะเวลาที่ใช้ไป นอกเหนือจาก Radar sensor แล้ว ยังมีเซ็นเซอร์ชนิดอื่นๆอีกที่ใช้ในการวัดระยะได้แก่ Ultrasonic sensor, Hydrostatic sensor เป็นต้น

ประวัติของ Radar sensor

ในปี 1886 Heinrich Hertz นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน เป็นคนแรกที่ได้พิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแสง โดยการคิดค้นอุปกรณ์ที่ใช้ในการรับและส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ต่อมาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ Heinrich Hertz ค้นพบ ถูกเรียกว่าคลื่นไมโครเวฟ (Radar) ถัดมาในปี 1904 Christian Hulsmeyer ได้ทดสอบและจดสิทธิบัตรอุปกรณ์ที่เรียกว่า Telemobilescope ซึ่งเป็นอุปกรณ์การนำทางที่สามารถรับและส่ง Radar ได้ ต่อมาในปี 1970 Radar ถูกใช้ในการวัดระดับเป็นครั้งแรก ในเรือบรรทุกน้ำมันดิบขนาดใหญ่ หลังจากนั้นมีเริ่มการพัฒนา Radar มาใช้ในการวัดระดับอย่างต่อเนื่อง จนปัจจุบัน Radar sensor ถูกใช้เป็นเซ็นเซอร์วัดระดับในอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลาย

จุดประสงค์ของ Radar sensor

จุดประสงค์การใช้งาน Radar sensor นั้น ถูกแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะการใช้งานหลัก ๆ คือ
1. ใช้เพื่องานตรวจสอบ (Monitoring) และดูผลลัพธ์ของข้อมูล เช่น ใช้แสดงผลของระดับน้ำในถัง, แสดงผลปริมาณปูนซีเมนต์ในถัง Silo หรือ ระดับน้ำแม่น้ำ แต่ Radar sensor จะเหมาะกับการใช้งานในพื้นที่อับอากาศและสภาวะที่รุนแรง เช่น แรงดันสูง อุณหภูมิสูง หรือมีการกัดกร่อน เป็นต้น
2. ใช้เพื่อการควบคุม (Control) อะไรบางอย่าง ยกตัวอย่างเช่น การควบคุมระดับสารเคมีในถังให้อยู่ในระดับที่ต้องการตลอดเวลา เป็นต้น

หลักการทำงานที่ใช้วัดของ Radar sensor

     เซ็นเซอร์วัดระดับ (Level sensor) ประเภท Radar เป็นเซ็นเซอร์ที่ต้องหลักการของการสะท้อนคลื่นความที่สูง Radar ในการตรวจจับวัตถุต่าง ๆ โดยที่ Radar sensor ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางในการส่งคลื่นจึงทำให้ Radar sensor สามารถใช้งานในพื้นที่อับอากาศและสภาวะรุนแรงได้เช่น แรงดันสูง อุณหภูมิสูง หรือมีการกัดกร่อน เป็นต้น และ Radar sensor เช่น รุ่น RM-902 มีมาตรฐานการป้องกันฝุ่นและน้ำที่ IP67 จึงทำให้ใช้งานได้ทนทาน Radar sensor มีความถี่สูงระดับ GHz

     Radar sensor ทำงานแบบ FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) โดยหลักการทำงานของ Radar sensor จะส่งคลื่น Radar ออกไปกระทบกับวัตถุ จากนั้นคลื่น Radar จะสะท้อนกลับมายังตัวรับของ Radar sensor จากนั้นจะทำการเปรียบเทียบคลื่น Radar ที่ส่งกับคลื่น Radar ที่สะท้อนกลับมา เพื่อหาค่าผลต่างของเวลา (∆t) ระหว่างคลื่น Radar ที่ส่งและคลื่น Radar ที่สะท้อนกลับมา โดยเราสามารถคำนวณหาระยะทางได้จากสมการดังนี้

โดยที่            = ระยะทาง (m)
                     = ความเร็วแสง (m/s)
                    = เวลาในการเดินทางของคลื่น Radar ทั้งขาไป-ขากลับ (s)

การทำงานภายในของ Radar sensor

     ในการทำงานของ Radar sensor จะมีส่วนประกอบสำคัญที่สัมพันธ์กัน ซึ่งแต่ละอุปกรณ์นั้นจะมีหน้าที่แตกต่างกัน ส่วนแรกคือ saw-tooth generator ที่จะทำหน้าที่สร้างสัญญาณมีลักษณะเป็น“ฟันเลื่อย” ดังภาพ (B) และส่งสัญญาณไปรวมกับความถี่จาก Oscillator เพื่อส่งออกสัญญาณเป็นความถี่ Radar ซึ่งจะเป็นการมอทดูเลท (Modulate) ให้กับสัญญาณ saw-tooth จากนั้นความถี่ Radar จะส่งต่อไปยัง Radar Transmitter เพื่อทำหน้าที่ขยายสัญญาณและถูกส่งไปยังเสาอากาศ (Antenna) จากนั้นส่งคลื่น Radar ไปกระทบกับวัตถุ

     หลังจากที่คลื่น Radar กระทบกับวัตถุและสะท้อนกลับยังเสาอากาศ คลื่น Radar ที่สะท้อนกลับมานั้นจะถูกส่งเข้าไปยัง Beat Frequency เพื่อทำการเปรียบเทียบคลื่น Radar ที่ส่งและคลื่นที่สะท้อนกลับมา ซึ่งจะได้ผลต่างของเวลา (∆t) ระหว่างคลื่น Radar ที่ส่งและคลื่น Radar ที่สะท้อนกลับมา จากนั้นผลต่างของเวลาไปคำนวณที่ Time Calculator เพื่อคำนวณหาระยะทาง ส่งสัญญาณ Output เช่น 4-20mA ไปยัง Indicator เพื่อแสดงผล

ภาพ (A) โครงสร้างภายใน Radar sensor

ภาพ (B) กราฟแสดงสัญญาณ saw-tooth

ปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ Radar sensor

1. ค่า dielectric constant (DC) ของวัตถุ

      มีผลกระทบโดยตรงต่อคุณภาพของการสะท้อนซึ่งเราจำเป็นต้องทราบค่าคงที่ dielectric constant (DC) ในความเป็นจริงวัตถุที่มีค่า DC สูงจะสะท้อน pulse ได้ชัดเจน แต่ในทางกลับกันวัตถุที่มีค่า DC ต่ำจะดูดซับ pulse ได้มากขึ้นทำให้การสะท้อนน้อยลงและลดความที่แม่นยำที่อ่านค่าได้

2. ขนาดถังเก็บ

     เนื่องจาก Radar sensor มี Emission Angle จึงไม่แนะนำให้ใช้กับถังขนาดเล็ก เช่น Radar sensor รุ่น RM-902 มี Emission Angle 18°

ข้อดีของ Radar Sensor

1. Radar sensor ทำงานได้โดยไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับวัตถุภายในถัง
2. Radar sensor สามารถใช้ได้กับของเหลว กากตะกอน สารละลาย และของแข็งบางชนิด
3. ใช้งานได้ในพื้นที่อับอากาศและสภาวะรุนแรง เช่น ดวามดันสูง อุณหภูมิสูง สารเคมีที่กัดกร่อน มีไอระเหย เกิดฟองหรือโฟม หรือวัตถุที่ทำให้เกิดฝุ่นฟุ้งและหมอกควัน
4. Radar sensor ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ซึ่งทำให้เกิดการสึกกร่อนได้ยาก จึงไม่มีการซ่อมบำรุงบ่อย
5. มีความแม่นยำสูง
 

ข้อจำกัด Radar Sensor

1. ไม่เหมาะกับถังที่มีสิ่งกีดขวางระหว่าง Radar sensor กับวัตถุ ซึ่งอาจส่งผลต่อการสะท้อนของคลื่น Radar
2. ค่า dielectric constant (DC) ของวัตถุ มีผลกระทบโดยตรงต่อคุณภาพของการสะท้อน
3. Emission Angle มีผลต่อการวัดค่า จึงต้องคำนึงถึงขนาดถังที่วัดระดับและรุ่นของ Radar sensor
4. ราคาค่อนข้างสูง