Die Radarsensoren Vegapuls 40 mit einer Arbeitsfrequenz um 20 GHz zeichnen sich durch hohe Qualität und Zuverlässigkeit aus. Die Serie ergänzt die 5,8-GHz-Produktreihe und bietet dabei eine höhere Signalbündelung und kleinere Abmessungen bei besserer Auflösung und höherer Genauigkeit. Dadurch lassen sich präzise Messungen auch in kleinen Behältern durchführen.
Dipl.-Ing. Jürgen Skowaisa, Dr. Nelly Bogdanova
Das zunehmende Interesse am Einsatz von Radarsystemen für Füllstandmessungen reflektiert die technologischen Vorteile, durch die sich die Radarsensoren von den anderen Füllstandmessgeräten unterscheiden. Das sind vor allem eine hohe Genauigkeit unabhängig von den Prozessparametern und eine berührungslose, verschleißfreie Messung. Die Radartechnologie lässt sich für Messungen in Flüssigkeiten, Pulvern und Schüttgütern, auch unter schwierigsten Bedingungen, einsetzen. Ihren Durchbruch verdankt die Radartechnik vornehmlich der rasanten Technologieentwicklung im Mikrowellenbereich, den erweiterten Möglichkeiten der Halbleiterbauelemente sowie dem Einsatz von neuen Materialien.
Theoretische Grundlagen
Die Signalfrequenz von Radarsensoren liegt im Gigahertzbereich. Für die Auswertung des Mikrowellensignals wird meist eine zusätzliche Modifikation benötigt. In der Radartechnik sind mehrere Modulationsverfahren bekannt:
• Amplitudenmodulation (Puls-Radar),
• Frequenzmodulation (FMCW-Radar),
• Polarisationsmodulation,
• Frequenzveränderung (Doppler-Radar).
Die Radarsysteme zur Ermittlung der Füllstandhöhe beruhen meistens auf dem Amplitudenmodulationsverfahren. Bei dieser Methode wird ein kurzer Puls ausgesendet und das reflektierte Signal empfangen und ausgewertet. Die Vorteile liegen hier in der einfachen Konstruktion. Die Arbeitsfrequenz für Radar-Füllstandmessungen kann nicht willkürlich gewählt werden. Für zivile Applikationen sind genau definierte Frequenzbänder behördlich vorgeschrieben. Das sind die ISM-Frequenzen (Industrial, Scientific, Medicine frequencies). Sie werden durch erlaubte Bandbreite und maximal zugelassene Leistung charakterisiert. Bis jetzt war die Frequenz um 5,8 GHz am meisten verbreitet. Diese wird jetzt durch den Frequenzbereich um 20 GHz ergänzt. Die Vorteile der neuen höheren Frequenz sind vielfältig.
Hohe Genauigkeit
Bei der höheren Frequenz ist die Bandbreite größer, was die Definition der Signalquelle erleichtert. Eine kleine Frequenzschwankung führt nicht unbedingt zu einem Verlassen der erlaubten Bandbreite. Auch die erlaubte Leistungsdichte ist hier höher, wodurch die Auflösung des Radarsensors gesteigert und der Reflexionseinfluss vermindert werden kann. Da sich der Strahl besser fokussieren lässt, wird das Rauschen unterdrückt und damit die Genauigkeit und die Auflösung verbessert. Für den Signalempfang reicht eine Hornantenne meist aus, da die Abmessungen des gesamten Messgerätes kleiner sind und die Mechanik flexibler ist. Die Antennendimensionen sind umgekehrt proportional zur Frequenz. Je höher die Frequenz gewählt ist, desto kleiner dürfen die Antennenabmessungen sein. Das ist für die Mechanik sowie für den notwendigen Durchmesser des Montagestutzens von Bedeutung.
Zuverlässig messen
Die Radarsensoren Vegapuls 40 (Abb. 1) mit einer Arbeitsfrequenz um 20 GHz zeichnen sich durch hohe Qualität und Zuverlässigkeit aus. Die höhere Frequenz stellt eine Produkterweiterung dar. Die Sensoren weisen eine höhere Empfindlichkeit auf und erlauben sowohl kontinuierliches Messen als auch Grenzwerterfassung. Schichtungen in Flüssigkeiten sowie Messungen in Fluiden mit tiefen Werten der Dielektrizitätskonstante stellen kein Problem dar. Auch Schüttgut kann weiterhin problemlos gemessen werden. Die kleinen Sensoren ermöglichen breitere Applikationen in der Petrochemie, der Lebensmittelindustrie und der Chemie, einschließlich der Pharmaindustrie. Durch den geringeren Mindestabstand kann das Behältervolumen völlig ausgenutzt werden. Diese Tatsache ist bei Messungen in Lagertanks von Bedeutung. In Kombination mit den 5,8-GHz-Sensoren lassen sich praktisch alle Applikationsbereiche abdecken. Die Radarsysteme finden unter anderem Einsatz bei Messungen über flüssigem Stahl, in Kesseln mit Überdruck sowie in Lagerbehältern mit sterilen, aggressiven und toxischen Medien (Abb. 2).
Störsignale unterdrücken
Abbildung 3 stellt den Vergleich der Signalbündelung bei den Frequenzen 5,8 und 20 GHz dar. Bei der höheren Sendefrequenz wird eine engere Signalbündelung mit höherem Antennengewinn und weniger Störechos erreicht. Der enge Sendekegel reduziert auch die Störreflexionen durch Einbauten und Behälterwände. Die wesentlich kleinere Antenne bei den höheren Frequenzen kann auch bei sehr engen Behälteröffnungen oder innerhalb von Behälterstutzen eingebaut werden. Die kleine Antenne erlaubt einen sehr kleinen Mindestabstand, was die volle Ausnutzung des Behältervolumens ermöglicht. Die Geräte der 5,8-GHz-Serie sind durch die größere Wellenlänge und Abstrahlfläche unempfindlich gegenüber Anhaftungen. Sie sind bevorzugt bei Messungen in Prozessbehältern mit bewegten Füllgutoberflächen einzusetzen, da Wellenbildung, Tromben und Rührwerke keine Auswirkung auf die Messung haben. Die Signaldämpfung ist kleiner (Abb. 4). Die Tabelle zeigt die wichtigsten Parameter der 5,8-GHz-Geräte (Vegapuls 50) und der 20-GHz-Geräte (Vegapuls 40) im Vergleich.
E cav 200
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