Un buen diseño de antena influye fuertemente en el balance de potencia y en el desempeño del sistema en modo positivo. La antena actúa como un transformador de impedancia entre el radar y el espacio libre.
La ganancia de una antena se define como “La relación de la intensidad de radiación, en una dada dirección, a la intensidad que debería obtenerse si la energía aceptada por la antena fuese isotrópicamente radiada”.
En adelante, veremos la influencia de distintos parámetros, como frecuencia de microonda y tamaño y tipo de antena, en la ganancia y por lo tanto en la potencia de la señal del radar.
La ganancia se calcula como sigue:
Ganancia = η (πD/λ)2 (1)
en donde “D” es el tamaño de la antena (el diámetro), “λ” es la longitud de onda y “η”, la eficiencia.
Si el diámetro de la antena y eficiencia son constantes, la ecuación se simplifica a
Ganancia = (1/λ)2 [2]
entonces, un medidor de 26 GHz de frecuencia con longitud de onda de 1,2 cm tendrá una ganancia seis veces mayor que un medidor de 10 GHz con longitud de onda de 3 cm.
En la figura 1 se puede apreciar la señal recibida con el aumento de la distancia al fluido, a diferentes frecuencias, manteniendo la misma antena y la misma constante dieléctrica del fluido (DK).
El ancho del haz de señal del radar es inversamente proporcional a la frecuencia del dispositivo. Así, un radar de mayor frecuencia tendrá un haz más pequeño que un dispositivo de baja frecuencia. Con la misma antena a 10 m de distancia del fluido, una antena con frecuencia de 26 GHz tiene un ancho del haz de 1,5 m, y para una frecuencia de 6 GHz, el ancho del haz es de 7 m (ver figura 2).
Con el aumento del diámetro de la antena para la misma frecuencia, disminuye el ancho del haz generado por el radar. En la figura 3 se puede ver la señal recibida con aumento de distancia al fluido, para diferentes tamaños de antena a la misma frecuencia de microonda.
Para cualquier radar, la cantidad de señal reflejada está relacionada con la constante dieléctrica del fluido que se va a medir (DK nos da una medida del poder de reflexión del fluido). Decrecerá para bajas constantes dieléctricas (DK) y mayores distancias a la superficie del líquido.
Con un radar sin contacto, el tamaño de la antena necesita aumentar para permitir ambos: fuerza de señal más grande y mejor recepción de la señal reflejada. Un dispositivo de alta frecuencia permite que ocurra esta optimización mientras mantenemos el tamaño de la antena lo más pequeño posible. Detrás de los fundamentos, la capacidad de procesamiento de la señal del dispositivo determinará los resultados totales con respecto a cómo una señal se transmite y recibe eficientemente y cómo se puede manejar la pérdida de potencia.
La frecuencia usada en los radares sin contacto pueden impactar en su rendimiento. Frecuencias más bajas reducen la sensibilidad al vapor, espuma y contaminación de la antena, mientras que las frecuencias más altas mantienen el haz del radar más enfocado o estrecho de manera de minimizar la influencia de cuellos, paredes y objetos de disturbio.
A una cierta frecuencia, el ancho del haz es inversamente proporcional al tamaño de la antena.
Figura 1. Diagrama de la señal recibida con el aumento de la distancia al fluido, a diferentes frecuencias, manteniendo la misma antena y la misma constante dieléctrica del fluido (DK)
Figura 2. Comparación entre el ángulo y el ancho de haz en transmisores Rousemount 5401 (6 GHz) y 5402 (26 GHz) con antenas del mismo tipo y tamaño
Figura 3. Señal recibida con aumento de distancia al fluido, para diferentes tamaños de antena a la misma frecuencia de microondaLos diseños de antena se hacen de acuerdo a los requerimientos de diseños del API MPMS Ch 3, 1 B, del Instituto Estadounidense de Petróleo. En el párrafo B.2.4.3.3 dice: “Cuando se espera condensación, el diseño deberá permitir el escurrimiento del agua”. No se admiten antenas planas.
Figura 4. Esquema con antena de diámetro mayor, con un haz menor de 5º, y otra antena de diámetro menor, con un haz mayor de 15º
Figura 5. Diseño de antenas con goteo, sin superficies horizontales de acuerdo al API ch. 3.1B ed.1
Figura 6. Diseño de antena sin superficies horizontales, de acuerdo a API ch. 3.1B, ed. 1Antena cónica, antena parabólica, antena array para instalación en caño guía (still pipe) y antenas cónicas para tanques presurizados/criogénicos (LPG/LNG), todas ellas son las típicas antenas que se instalan en tanques de almacenaje de productos líquidos.
La antena parabólica tiene alta ganancia y una señal alta en relación al ruido. El diámetro de antena grande da un haz del radar más angosto, lo que implica que se puede acercar más a la pared del tanque. Se instala en una boca de hombre de 20”.
En ciertos casos, puede medir distancia a un techo flotante instalado en el tope del tanque.
Las aplicaciones típicas son petróleo crudo almacenado en tanques con techo flotante y productos tipo gasolina con o sin techo interno flotante. Para conseguir mayor exactitud, requerida para la transferencia en custodia, se usan tecnologías que transmiten ondas del radar que viajan por el centro del caño. Esto permite eliminar la señal y degradación de exactitud, debido a depósitos o herrumbre que puede haber en el interior del caño. Se pueden instalar en caños de 5, 6, 8, 10 y 12”.
Existen versiones fijas y rebatibles. Estas últimas permiten el muestreo y la medición con cinta y pilón en la misma boca.
El sello de presión está equipado con una función de doble bloqueo, que consiste en una ventana de cuarzo/cerámico y una válvula esférica a prueba de fuego. Un sensor de presión en el cabezal permite la corrección por volumen debido al vapor.
Los fabricantes de estos dispositivos tienen el conocimiento y la experiencia para recomendar y seleccionar la mejor electrónica y antena para cada aplicación.
Figura 7. Diferentes tipos de antenas
Figura 8. Acceso en un caño guía