Radar hat sich in der Füllstandmessung in Silos und Tanks als zuverlässige Technologie bewährt. Aktuell gibt es ein Diskussion um die Fähigkeiten speziell der hohen Radar-Frequenzen. Häufig wird das 80 GHz als Universaltalent für alle Anwendungen genannt. Aber gilt diese Aussage uneingeschränkt? Werden alle bislang verwendeten Frequenzen damit abgelöst? Um diese Frage zu beantworten und um generell die Möglichkeiten zu verstehen, reicht ein wenig Hintergrundwissen über die Radar-Technologie.
Autor: Andreas Königs, Spezialist für Füllstandmesstechnik bei KROHNE
Man unterscheidet zwischen Pulsradar und FMCW Radar, wobei FMCW die favorisierte Technologie ist, auf die alle großen Messtechnikhersteller setzen. KROHNE hat dabei Pionierarbeit geleistet und 1989 als erster Hersteller diese Technologie in industrielle Füllstandmessgeräte integriert. FMCW steht als Abkürzung für Frequency modulated continuous wave: ein FMCW Radar sendet kontinuierlich Radarwellen aus, deren Frequenz über eine Bandbreite moduliert wird, und empfängt ihre Reflektionen. Es misst den Unterschied zwischen gesendeter und empfangener Welle/Frequenz, der proportional zum Abstand zur Oberfläche ist, an der sie reflektiert wurde. Damit ist die Füllstandmessung mittels Radar primär eine berührungslose Abstandsmessung vom (meist im Behälterdach montierten) Messgerät zur Oberfläche eines zu messenden Mediums. Mittels Eingabe der Behältergeometrie und Mediumeigenschaften wie z. B. Dichte kann das Gerät daraus einen Füllstand, ein Volumen oder eine Masse errechnen. Radar misst berührungslos und ist im Gegensatz zu Ultraschall unabhängig von Druck und Temperatur, auch Viskosität, Dichte und Farbe beeinflussen die Messung nicht. Trotz dieser Unempfindlichkeit gibt es auch beim der FMCW Messung einige wenige Einflussfaktoren, die im Folgenden kurz charakterisiert werden. Für eine ausführliche Betrachtung empfiehlt sich das Whitepaper „FMCW-Radar-Füllstandmesssysteme“, welches über nebenstehenden Link erreicht werden kann.
Signaldynamik und Bandbreite
Da jede ausgesendete Frequenz reflektiert wird, ergibt sich ein großes empfangenes Spektrum. Jedoch reflektiert nicht nur das Medium alleine, sondern alle Oberflächen in einem Behälter, z.B. auch Einbauten. Die genaue Unterscheidung aller vom Radar erfassten Ziele ist nur möglich über eine hohe Signaldynamik, man spricht auch von einer hohen Messempfindlichkeit: je mehr von einem Ziel reflektierte Signale vom Gerät empfangen werden können, umso klarer bzw. höher erhebt sich dieser Punkt im Spektrum über das Grundrauschen und kann identifiziert werden. Diese hohe Dynamik ist bei praktisch allen am Markt verfügbaren FMCW Geräten gegeben.
Mit grösserer Bandbreite des Radars erhöht sich die Auflösung des Spektrums, die einzelnen Ziele werden durch schmalere, exakte Peaks angezeigt: denn die Bandbreite, über die die Frequenz moduliert wird, bestimmt die Anzahl der unterschiedlichen Signale, die von einem beliebigen Ziel reflektiert werden. Ein 24 GHz Radar moduliert typischerweise zwischen 24…26 GHz und hat damit eine Bandbreite von 2 GHz, ein 80 GHz moduliert typischerweise im Bereich zwischen 78…82 GHz und hat damit eine Bandbreite von 4 GHz. Mit 4 GHz können heute beispielsweise Ziele unterschieden werden, die einen Abstand von nur 10 cm zueinander haben. Diese können bei gleichen Bedingungen mit 2 GHz nicht unterschieden werden.
Die Bandbreite wurde früher durch die Leistungsfähigkeit der verfügbaren Mikrochips limitiert, heute eher durch die Antennen bzw. deren Bauformen, die das Frequenzspektrum übertragen sollen. Als Pionier in der FMCW Technik hat KROHNE einen eigenen Mikrochip spezifisch für Anwendungen in der Prozessindustrie entwickelt, um unabhängig von den Chipherstellern zu sein, die die Bauteile primär für andere Anwendungen wie das Abstandsradar an PKW entwickeln.
Fokussierung und Antennengrösse
Radarwellen breiten sich nicht punktuell wie ein Lasersignal aus, sondern eher in Form einer Keule. Um den Öffnungswinkel bzw. die Fokussierung der Keule zu beeinflussen, gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen die verwendete Frequenz: je höher die Frequenz, umso kleiner wird der Öffnungswinkel aufgrund der kürzeren Wellenlänge. Die Keule eines 80 GHz mit 4 GHz Bandbreite ist bei 10 m Abstand nur ca. 30% so groß wie die des 24 GHz mit 2GHz (0,53m zu 1,76m). Die zweite Möglichkeit ist der Antennendurchmesser: je größer der Durchmesser, umso stärker fokussiert wird die Radarkeule. Für die Prozessindustrie lässt sich das gut in die möglichen Anwendungsbereiche übertragen: in hohen schmalen Silos sollte die Radarwelle nicht mit der Silowand oder Einbauten in Kontakt kommen, da beides nicht gemessen werden soll. Daher macht es hier Sinn, die Radarkeule so stark wie möglich zu fokussieren und so schmal wie möglich zu halten. Einfach gesagt setzt man ein 80 GHz Radar-Gerät mit einer großen Antenne ein. In Tanks mit bewegten Oberflächen macht die starke Fokussierung hingegen keinen Sinn, oder wenn das Sendesignal nicht senkrecht auf eine ebene Flüssigkeitsoberfläche trifft, da der Flansch nicht waagerecht montiert wurde. In diesen Fällen würden die an der Produktoberfläche reflektierten Radarwellen bei sehr kleinem Öffnungswinkel im Extremfall nicht zur Antenne zurückgelangen, so dass keine Signalauswertung möglich ist. Wiederum vereinfacht gesagt ist hier ein 24 GHz mit einer kleinen Antenne die bessere Wahl.
Reflektivität und Frequenz
Neben dem Winkel sind auch die Eigenschaften der Produktoberfläche entscheidend dafür, wie viele Radarsignale reflektiert und wie sie empfangen werden: je höher die Reflektivität bzw. Dielektrizitätszahl, umso höher die Amplitude der reflektierten Signale. Wasser mit einem Er-Wert von 80 ist eines der am stärksten reflektierenden Produkte, dabei kommen etwa 65% der ausgesendeten Energie zurück. Säuren und Laugen mit einem Er-Wert von 20…30 reflektieren ca. 40% der Signale. Flüssige Kohlenwasserstoffe mit Er-Wert zwischen 1,6…3 reflektieren selbst bei einer Radar-Frequenz von 10 GHz noch 5% der ausgesendeten Energie, was für eine Messung ausreichend ist. Ein 80 GHz Radar würde in dieser Anwendung ebenfalls gut funktionieren, wäre aber aus messtechnischer Sicht überdimensioniert.
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten reflektieren Schüttgüter allgemein sehr schlecht: KROHNE setzt für seine OPTIWAVE Radargeräte einen Er-Wert von ca. 1,4 als niedrigsten Wert an, der noch zuverlässig und sicher gemessen werden kann. Während sich der Reflexionskoeffizient einer ebenen Flüssigkeitsoberfläche über der Frequenz nicht ändert, nimmt die Rückstreuung an feinkörnigen Schüttgütern wie Granulaten oder Pulvern mit steigender Frequenz deutlich zu. Das 80 GHz Radar ist hier also die erste Wahl, aufgrund der hohen Dynamik ist es sogar bei starker Staubentwicklung (z.B. bei Befüllvorgängen) in der Lage, die Füllstandlinie klar anzuzeigen. Die bessere Auflösung seiner 4 GHz Bandbreite hilft zudem, die Signale von Störung und Medium zu unterscheiden, auch wenn diese dicht beieinander liegen.
Damit sind die wichtigsten Parameter der FMCW-Radarfüllstandmessung beschrieben. Die Antennenbauform sowie ihre Position und Ausrichtung wurden nur kurz angerissen, da beides stark applikationsabhängig ist. Anhand der Faktoren wurde bereits klar, dass es kein Universaltalent für alle Applikationen gibt. In der nachfolgenden Zusammenfassung werden die typischen Anwendungsfälle bzw. Anwendungsempfehlungen noch einmal kurz gezeigt.
Ein 6 GHz Radar ist die erste Wahl für Bezugsgefäße bzw. Bypass-Messungen: es liefert in einem kleinen Bezugsgefäß oder Schwallrohr ein gutes Signal, die Radarkeule erfährt durch die undurchdringliche Wand des Gefäßes keine weitere Ausdehnung. 6 GHz Geräte eignen sich nur bedingt für den Einsatz im Freifeld oder in einem normalen Tank.
10 GHz ist eine ideale Frequenz für Anwendungen mit einfache Lager- oder Prozesstanks bis max. 30 m Behälterhöhe. Bis etwa 40 bar / 150 Grad Celsius können im Durchmesser kleine und günstige Kunststoff-Antennen eingesetzt werden, die aber aufgrund ihrer Länge relativ weit in den Messbereich hinein ragen. Darüber werden zumeist große Metall-Antennen DN150…200 und entsprechende Flansche benötigt.
24 GHz ist eine gute Allround-Frequenz sowohl für Flüssigkeiten als auch für Schüttgüter, ihre Anwendungsfelder sind Prozessbehälter in der chemischen Industrie mit Rührwerken, Pumpen, stark bewegten Oberflächen, hohen Drücke und Temperaturen. Die Metall-Hornantennen sind hier mit typischerweise DN50…80 bereits deutlich kleiner als bei den niedrigeren Frequenzen, alternativ sind wiederum Kunststoff-Antennen in verschiedenen Formen verfügbar, z. B. die bekannte Tropfenantenne als geschlossenes Antennensystem für eine hohe Staubentwicklung.
80 GHz ist die Frequenz mit der höchsten Fokussierung und sehr sinnvoll in hohen und schlanken Behältern um möglichst keine Störreflektionen zu bekommen. Zudem wird die kurze Wellenlänge sehr gut reflektiert, dies ist vor allem vorteilhaft bei Schüttgütern, auch bei Granulaten und Pulvern mit sehr kleinen Korngrößen und/oder hoher Staubentwicklung. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der Fokussierung eigentlich gar keine Antenne mehr notwendig ist: KROHNE setzt hier ausnahmslos die Linsenantenne aus Kunststoff (PTFE oder PEEK) ein, die fast frontbündig abschließt. Aufgrund der Größe kann mit Gewindeanschlüssen gearbeitet und teilweise ganz auf den Flansch verzichten werden, was ggf. sehr viel Geld einspart. 80 GHz hat eine enorme Mess-Reichweite bei gleichzeitig kleiner Totzone, der Behälter kann nahezu bis zur Antenne befüllt werden.
Aufgrund der aufgezeigten Überschneidung der Einsatzbereiche ist keine pauschale Empfehlung möglich. Auch die Kosten für das Messgerät und seine Installation variieren je nach Anforderung und den vorhandenen Einbaumöglichkeiten. Daher ist eine eingehende Beratung durch einen KROHNE Applikationsingenieur sinnvoll und notwendig, um garantiert die richtige Frequenz zu treffen.
Zur Vertiefung bietet KROHNE das Whitepaper „FMCW-Radar-Füllstandmesssysteme“ zum kostenlosen Download an, welches die Einflussgrößen der Messung sowie die Unterschiede zwischen verschiedenen Antennentypen im Detail erläutert: https://krohne.link/ov2mf
