Radarsensor: Die hohe Radarfrequenz von 80 GHz macht es möglich, sehr kompakte Antennen zu nutzen.

Radarsensor: Die hohe Radarfrequenz von 80 GHz macht es möglich, sehr kompakte Antennen zu nutzen. Vega

Obwohl die Füllstandmessung mit Radar­geräten in vielen Bereichen Standard ist, stoßen die sogenannten Freistrahl-Geräte mitunter an ihre Grenzen: Behältereinbauten wie Heizschlangen oder Rührflügel können störende Reflexionen verursachen. Und immer häufiger werden die Sensoren nicht direkt auf dem Behälter installiert, sondern abgesetzt auf Stutzen. Mit solchen Einbausituationen sind die herkömmlichen Sensoren mit 26-GHz-Technik überfordert, weshalb Radar bei diesen Messstellen ausscheidet – bislang jedenfalls.

Das Messprinzip beruht auf einer Laufzeitmessung des Radar-Signals (Mikrowelle), das an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert wird. Beim Puls-Radar besteht das Radarsignal aus kurzen Pulsen, der Füllstand wird aus der Laufzeit der Pulse vom Sender über die reflektierende Oberfläche und zurück zum Em­pfänger ermittelt. Der Radar-Strahl tritt vom Sensor mit einem definierten Öffnungswinkel aus: Wie groß dieser ist und letztlich auch die Größe des Messflecks auf der zu messenden Oberfläche, hängt von der Sendefrequenz und der Antennenfläche ab: Je höher die Frequenz und je größer die Antenne, desto besser die Fokussierung. Bei einem in der Flüssigkeitsmessung üblichen 26-GHz-Füllstandradar (Abstrahlwinkel 10°) wächst der Durchmesser der Signalkeule in 2 m Entfernung vom Sensor um mehr als 75 cm. Um das Signal zu fokussieren, werden deshalb Antennen – beispielsweise Hornantennen – eingesetzt. Doch mit der Antennengröße steigt der Mindestabstand zwischen Sensor und Oberfläche, was vor allem bei kleinen Behältern ungünstig ist. Zudem stehen solche Antennen im Widerspruch zu den Einbausituationen – wenn Radar andere Messprinzipien ersetzen soll.

‚Game-Changer‘ in der Füllstandmessung

Vega hat nun ein Radar-Füllstandmessgerät für Flüssigkeiten entwickelt, das mit 80 GHz arbeitet. Der Vorteil: Die Antennenfläche kann entsprechend kleiner ausfallen und damit der Abstrahlwinkel, ohne die Genauigkeit und Reichweite des Sensors zu verschlechtern. Mit einem Abstrahlwinkel von nur 3° ermöglicht der auf der Plics-Plattform des Herstellers basierende Sensor die Messung von schwierigen Medien und den Einsatz bei komplexen Behältergeometrien. Im Vergleich zum 26-GHz-Radar vergrößert sich der Durchmesser der Signalkeule in 2 m Entfernung auf lediglich 20 cm. „Die 80-GHz-Technik ist für die Füllstandmessung von Flüssigkeiten ein Game-Changer“, ist sich Vega-Geschäftsführer Günter Kech sicher. So sicher, dass der Hersteller künftige Geräte hauptsächlich auf Basis der hohen Frequenz entwickeln will. Vor allem die hohen Stückzahlen der auch von der Automobilindustrie genutzten Radar-Mikrochips haben die Technik erschwinglich gemacht.

Vergleich 26-GHz-Radar mit dem 80-GHz-Gerät: Die engere Strahlkeule (gelbe Kurve) vermeidet Störreflexionen.

Vergleich 26-GHz-Radar mit dem 80-GHz-Gerät: Die engere Strahlkeule (gelbe Kurve) vermeidet Störreflexionen.

Vega

Zusätzlich zum engeren Fokus hat der Sensor eine höhere Dynamik, das heißt der Unterschied zwischen dem kleinsten noch messbaren und dem größten Signal. „Die Dynamik von 120 dB ermöglicht es, auch Medien mit schlechten Reflexionseigenschaften zu messen“, betonte Kech bei der Vorstellung der neuen Gerätegeneration Anfang März.
Die Nullserie von 200 Geräten ist bei vielen Anwendern mit Medien mit schlechten Reflexionseigenschaften und komplexen Einbausituationen bereits im Einsatz. „Bei denen ist die Radartechnik bisher an ihre Grenzen gestoßen“, so Produktmanager Jürgen Skowaisa. Die stärkere Fokussierung der Hochfrequenz-Geräte sorgt nun auch in einem Rührbehälter mit Heizregistern für eine deutlich verbesserte Messsicherheit über den gesamten Messbereich. Auch in ungünstigen Einbausituationen, beispielsweise wenn die Geräte nahe an der Behälterwand montiert sind, wird eine hohe Genauigkeit erreicht.

Gerade bei der Montage auf Stutzen oder aber auf einem Kugelhahn (Petrochemie) führt die 80-GHz-Technik zu verblüffenden Ergebnissen. „Beim 26-GHz-Gerät haben die Störreflexionen des Stutzens den Messbereich und die Füllhöhe eingeschränkt. Durch die bessere Fokussierung kann der Anwender nun über die gesamte Behälterhöhe messen“, erläutert Produktmanager Clemens Hengstler.

Kampfansage an andere Messverfahren

Per App zum Bierstand: Das Füllstandradar mit ¾-Zoll-
Anschluss misst auf kurzer Distanz den Füllstand im 5-l-Fass und gibt den Messwert via Plics-Com-Modul auf einem Tablet aus.

Per App zum Bierstand: Das Füllstandradar mit ¾-Zoll-
Anschluss misst auf kurzer Distanz den Füllstand im 5-l-Fass und gibt den Messwert via Plics-Com-Modul auf einem Tablet aus.
Anschluss misst auf kurzer Distanz den Füllstand im 5-l-Fass und gibt den Messwert via Plics-Com-Modul auf einem Tablet aus. Vega

Die Montage auf Kugelhähnen wird vor allem in der Petrochemie immer häufiger gefordert, weil die Sensoren bei dieser Installationsvariante ausgewechselt werden können, ohne den Prozess unterbrechen zu müssen. Ein weiterer Aspekt ist der Trend zu immer kleineren Behältern (Pharmaindustrie). Um die Radartechnik auch dort einsetzen zu können, gibt es eine Variante mit einem ¾-Zoll-Prozessanschluss. Möglich wird dies ebenfalls durch die hohe Signalfrequenz, die trotz der kleinen Antennengeometrie genügend Signalreserve für die Messung bietet. „Die 80-GHz-Technik wird dazu führen, dass künftig nicht nur insgesamt mehr Radargeräte eingesetzt werden, sondern auch neue Applikationen entstehen“, ist Jürgen Skowaisa überzeugt. Der Hersteller rechnet damit, dass der kompakte Sensor in zahlreichen Anwendungen andere Füllstand-Messprinzipien verdrängen wird – darunter solche mit geführter Mikrowelle (Radar am Seil), Auftriebskörper, Magnetklappen oder Differenzdruckmessungen sowie Wägetechnik.

Technik im Detail

Sensoren per App parametrieren
Zeitgleich zum Radargerät wurde die nächste Generation des Anzeige- und Bedienmoduls Plics-Com vorgestellt. Wesentliche Neuerung ist ein Bluetooth-Interface, das die Parametrierung und Bedienung der Geräteplattform per App aus der Ferne ermöglicht – von allen Füllstand- und Drucksensoren ab Baujahr 2002: in Summe rund 1,5 Millionen. Das rund 40 Euro teure Modul ist abwärtskompatibel und lässt sich ohne Software-Update tauschen“, so J. Garcia. Die drahtlose Kommunikation ist insbesondere für schwer zugängliche Stellen, raue Industrieumgebungen und Ex-Bereiche interessant. Diese können aus sicherer Entfernung mit dem Smartphone oder Tablet konfiguriert und parametriert werden.  Daneben ermöglicht ein neuer Magnetstift die berührungslose Bedienung bei geschlossenem Deckel durch das Sichtfenster. Aufwendige Genehmigungen im Ex-Bereich (Feuerscheine) werden überflüssig.