Radar-Füllstandsmessung kurz erklärt
Technologie, Vorteile und das IIoT
In Kürze
- Die Füllstandsmessung kann eine sehr anspruchsvolle Herausforderung sein: Die Wahl eines ungeeigneten Geräts oder eine nicht korrekte Konfiguration kann zu Ineffizienzen im Betrieb und zu kostpieligen Unterbrechungen führen.
- Wenn die richtige Technologie gewählt und ordnungsgemäß implementiert wird, sorgt sie für einen stabilen Prozess, der nahtlos im Hintergrund arbeitet.
- Die Radartechnologie bietet bedeutende Vorteile und hat in den meisten Anwendungen allmählich alternative Messverfahren ersetzt.
- Wichtige Faktoren für ihre breite Akzeptanz sind die bessere Erschwinglichkeit und die Fähigkeit, hochgenaue Füllstandsmessungen zu liefern.
- Dieser Artikel erläutert die Prinzipien hinter der Radartechnologie und untersucht, wie IIoT-fähige Radargeräte zu einer entscheidenden Innovation in der Füllstandsüberwachung für moderne industrielle Umgebungen geworden sind.
Wie werden Füllstände in Tanks gemessen?
Der Markt bietet eine breite Palette an Modellen, die für die Füllstandsmessung unterschiedliche Methoden anwenden. Welche Option für Ihren Prozess am besten ist, hängt von dessen spezifischen Merkmalen und Anforderungen ab.
Welchen Sensortyp sollten Sie also wählen – Druck, hydrostatisch, kapazitiv, Ultraschall oder noch einen anderen? Jeder hat seine Berechtigung, die Radartechnologie zeichnet sich jedoch durch ihre Vielseitigkeit für viele verschiedene Anwendungen aus. Wenn sie mit IIoT-Fähigkeiten kombiniert wird, kann sie Überwachung und Steuerung erheblich vereinfachen.
Wie funktioniert Radar?
Radar-Füllstandsmessgeräte arbeiten üblicherweise nach einem der beiden folgenden Prinzipen: dem Laufzeitverfahren (Time-of-Flight, ToF) oder dem frequenzmodulierten Dauerstrichverfahren (Frequency-Modulated Continuous Wave, FMCW). Jedes von ihnen wird im folgenden Abschnitt ausführlich erklärt.
Laufzeitverfahren (ToF)
Mit diesem Verfahren bestimmt das Radargerät die Entfernung zur Füllgutoberfläche durch Aussenden von Radarimpulsen, die an der Oberfläche reflektiert werden und zum Gerät zurückkehren. Die Antenne empfängt das reflektierte Signal und überträgt es an die Elektronik. Dort analysiert der Mikroprozessor das Echo und berechnet die Zeit, die das Signal für seinen Weg bis zur Rückkehr benötigt hat.
Die Entfernung (D) zur Oberfläche ist proportional zur Laufzeit (t) des vom Radar ausgesendeten Impulses. Für die Berechnung verwendet der Mikroprozessor die folgende Formel:
D = c · t/2
Darin entspricht c der Lichtgeschwindigkeit.
Nachdem das Gerät die Entfernung (D) bestimmt hat, kann es anhand der Leerdistanz (E) den Füllstand (L) berechnen:
L = E-D
Frequenzmoduliertes Dauerstrichverfahren (FMCW)
Bei diesem Verfahren sendet der Radarsensor ein Hochfrequenzsignal aus. Die Frequenz wird im Lauf der Zeit erhöht und erzeugt einen sogenannten Frequenz-Sweep oder Signal-Sweep. Dieses Signal wird von der Füllgutoberfläche reflektiert, anschließend von der Antenne empfangen und mit einer Zeitverzögerung (t) an die Elektronik übertragen.
Die empfangene Frequenz unterscheidet sich von der ausgesendeten Frequenz, und ihre Differenz (Δf) ist proportional zur Echokurve. Durch Anwendung der Fourier-Transformation werden die Signale in ein Spektrum umgewandelt, wie hier gezeigt:
Frequenzmoduliertes Dauerstrichverfahren (FMCW)
Das Gerät ermittelt den Füllstand, indem es die Differenz zwischen der Höhe des Tanks und der gemessenen Entfernung berechnet. Dieses Verfahren ist zwar komplexer als der ToF-Ansatz, doch alle Berechnungen werden intern vom Gerät durchgeführt. Dies gewährleistet genaue Ergebnisse ohne zusätzlichen Aufwand.
Frequenzband
Es ist wichtig, Frequenzbänder zu verstehen, oder andernfalls bei der Entscheidung, welche Option für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, einen Experten zu Rate zu ziehen. Berührungslose Füllstandssensoren sind in vier verschiedenen Bändern erhältlich, die meisten arbeiten bei 6 GHz, 10 GHz oder 26 GHz.
Vor Kurzem sind Radarsensoren mit 80 GHz auf den Markt gekommen. Sie bieten bedeutende Vorteile für Prozessanlagen, besonders in Anwendungen, in denen traditionelle Radarsender mehr Platz für den Abstrahlwinkel benötigen.
Welches Frequenzband ist für Ihren Prozess am besten geeignet? Die Antwort hängt von mehreren anwendungsspezifischen Faktoren ab. Sie können entweder selbst ausführlich recherchieren oder Ihre Prozessdaten einem Experten vorlegen und sich von ihm beraten lassen – die erste Methode ist besonders gründlich, die zweite schneller.
IIoT-Füllstandsüberwachung
IIoT-Radarsensoren sind die neueste Generation kompakter Füllstandsmessgeräte. Modelle wie der Micropilot FWR30 von Endress+Hauser wurden für eine einfache Installation in kleinen Tanks entwickelt und können bei Bedarf an einen anderen Ort versetzt werden.
Ermöglicht wird diese Mobilität durch Batteriespeisung und drahtlose Kommunikation. Tanks können so an jeden Standort mit Internetzugang transportiert werden, die Daten werden dabei weiterhin kontinuierlich übertragen.
Weitere Funktionen sind Standortverfolgung, konfigurierbare Minimum- und Maximum-Schwellenwerte sowie automatische Warnungen, wenn sich Messungen ändern. Dank des Betriebs bei 80 GHz sind diese Sensoren ideal für kleine Container, da sie selbst in Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen zuverlässige und genaue Messungen liefern.
Cloudbasierte IIoT-Radargeräte wie der Micropilot FWR30 können in wenigen einfachen Schritten konfiguriert werden. Nach der Einrichtung kann auf alle Messdaten mit einem Smartphone, Laptop oder Tablet zugegriffen werden. Ergänzende Services, wie sie z. B. vom Netilion IIoT-Ökosystem bereitgestellt werden, bieten erweiterte Funktionen, darunter Dashboards, historische Daten, Kartenfunktionen, Benachrichtigungen und vieles mehr.
