80 GHz Radar-Füllstandmessung

Die 80 GHz-Technologie ist eine neue und vielseitige Radartechnologie zur Füllstandmessung in Flüssigkeiten und Feststoffen. Verglichen mit einem Radar niedrigerer Frequenz bieten diese Geräte über eine identische Distanz eine stärker fokussierte Radarkeule mit kleinerem Durchmesser, ideal für staubige Atmosphären oder schwach reflektierende Messstoffe. Die geringe Blockdistanz und der schmale Abstrahlwinkel ermöglichen den Einsatz auch in kleinen und schmalen Tanks.

80 GHz Radar-Füllstandmessung

Die 80 GHz-Technologie ist eine neue und vielseitige Radartechnologie zur Füllstandmessung in Flüssigkeiten und Feststoffen. Verglichen mit einem Radar niedrigerer Frequenz bieten diese Geräte über eine identische Distanz eine stärker fokussierte Radarkeule mit kleinerem Durchmesser, ideal für staubige Atmosphären oder schwach reflektierende Messstoffe. Die geringe Blockdistanz und der schmale Abstrahlwinkel ermöglichen den Einsatz auch in kleinen und schmalen Tanks.

Wie kann die 80 GHz-Technologie so universell sein?

Um diese Frage zu beantworten, ist zunächst hervorzuheben, dass die 80 GHz-Technologie auf der FMCW-Technologie basiert, die derzeit die bevorzugte Technologie ist, auf die sich alle größeren Hersteller von industrieller Prozessinstrumentierung stützen. FMCW steht für "Frequency Modulated Continuous Wave". Das FMCW-Radar sendet kontinuierlich Radarwellen aus, deren Frequenz über eine Bandbreite moduliert wird, und empfängt deren Reflexionen. Es misst den Frequenzunterschied zwischen der gesendeten und der empfangenen Welle, der proportional zum Abstand zu der Oberfläche ist, an der die Welle reflektiert wurde.

Die Radar-Füllstandmessung ist somit im Wesentlichen eine berührungslose Abstandmessung vom Messgerät (das oben am Behälter montiert ist) zur Oberfläche des zu messenden Produkts. Nach Eingabe der Behältergeometrie und der Messstoffeigenschaften wie beispielsweise der Dichte ist das Gerät in der Lage, den Füllstand, das Volumen oder die Masse zu berechnen. Im Gegensatz zu Ultraschall ist die Radar-Technologie unabhängig von Druck und Temperatur; darüber hinaus wirken sich Viskosität und Dichte nicht auf die Messung aus.

Trotz dieser Unempfindlichkeit gibt es einige Faktoren, die die FMCW-Messung beeinflussen. Die 80 GHz-Technologie ist derzeit die fortschrittlichste Technologie, die diese Einflüsse bewältigt.

Signaldynamik und Bandbreite

Da jede ausgesendete Frequenz vom Radar reflektiert und empfangen wird, ergibt sich hieraus ein großes Spektrum. Die Wellen werden jedoch nicht nur vom Messstoff reflektiert, sondern von allen Oberflächen in einem Behälter – beispielsweise Tankeinbauten. Die genaue Differenzierung aller vom Radar erkannten reflektierten Signale ist nur über eine hohe Signaldynamik bzw. hohe Messempfindlichkeit möglich: Je mehr Signale von einem Ziel reflektiert und vom Gerät empfangen werden, desto klarer oder höher steigt dieser Punkt im Spektrum über das "Rauschen" im Spektrum und kann somit identifiziert werden.

Je größer die Bandbreite des Radars wird, desto höher ist die Auflösung des Spektrums und die einzelnen Ziele werden durch schmalere und genauere Spitzen angezeigt: Die Bandbreite, über die die Frequenz moduliert wird, bestimmt die Anzahl der verschiedenen Signale, die von einem Ziel reflektiert werden. Ein 24 GHz-Radar moduliert typischerweise zwischen 24 und 26 GHz und besitzt damit eine Bandbreite von 2 GHz, während ein 80 GHz-Radar typischerweise im Bereich zwischen 78 und 82 GHz moduliert und somit eine Bandbreite von 4 GHz besitzt. Bei 4 GHz beispielsweise können Zielen im Abstand von nur 10 cm/4" unterschieden werden. Bei 2 GHz ist es nicht möglich, diese Ziele unter den gleichen Bedingungen zu unterscheiden.

Fokussierung und Antennengröße

Über lange Zeit war die Bandbreite durch die Leistung der Mikrochips eingeschränkt. Heute ist sie durch die Antennen und deren Ausführungen begrenzt, die das Frequenzspektrum übertragen müssen. Radarwellen breiten sich nicht punktförmig aus wie ein Lasersignal, sondern in Form einer Keule oder eines Winkelstrahls.

Es gibt zwei Möglichkeiten, den Öffnungswinkel oder die Fokussierung des Winkelstrahls zu beeinflussen. Zunächst anhand der verwendeten Frequenz: Je höher die Frequenz, desto kleiner der Öffnungswinkel aufgrund der kürzeren Wellenlänge. Die Winkelstrahlbreite eines 80 GHz-Radars mit einer Bandbreite von 4 GHz ist im Abstand von 10 m/ 33 ft nur 30% so groß wie die des 24 GHz-Radars mit 2 GHz (0,5 m bis 1,75 m/ 1,6 bis 5,7 ft). Die zweite Möglichkeit ist der Antennendurchmesser: Je größer der Durchmesser, desto fokussierter ist der Winkelstrahl.

Für die Prozessindustrie kann dies leicht auf die möglichen Anwendungsbereiche übertragen werden: in hohen und schmalen Silos darf der Radarstrahl nicht mit der Silowand oder Tankeinbauten in Kontakt kommen, da beide nicht gemessen werden sollen. Daher muss der Winkelstrahl des Radars sowohl fokussiert sein als auch so schmal wie möglich gehalten werden, was bei einem 80 GHz-Radar mit großer Antenne gegeben ist.

Reflexion und Frequenz

Neben dem Winkel bestimmen auch die Eigenschaften der Produktoberfläche, wie viele Radarsignale reflektiert und empfangen werden: Je höher die Reflektivität oder Dielektrizitätszahl, desto größer ist die Amplitude der reflektierten Signale.

Im Gegensatz zu Flüssigkeiten, die die Signale sehr gut reflektieren, reflektieren Schüttgüter Signale im Allgemeinen nur sehr schlecht: Ein Er-Wert von ungefähr 1,4 ist als der niedrigste Wert angegeben, der zuverlässig und sicher gemessen werden kann. Während sich der Reflexionskoeffizient einer ebenen Flüssigkeitsoberfläche über die Frequenz nicht ändert, nimmt die Rückstreuung an feinkörnigen Schüttgütern wie beispielsweise Granulat oder Pulver mit steigender Frequenz deutlich zu.

Das 80 GHz-Radar ist aus diesem Grund hier die erste Wahl, da er dank der hohen Dynamik in der Lage ist, die Füllstandlinie auch bei starker Staubentwicklung (z. B. beim Füllen eines Silos oder eines Vorratsbehälters) klar anzuzeigen. Die höhere Auflösung seiner 4 GHz-Bandbreite hilft darüber hinaus, die Signale von Störungen und Messstoff zu unterscheiden, auch wenn sie nahe beieinander liegen.

Zusammenfassung

80 GHz ist die Frequenz mit höchstem Fokus und eignet sich daher für alle Behältergrößen, um Störreflexionen zu vermeiden. Außerdem wird die kurze Wellenlänge sehr gut reflektiert, was insbesondere bei Schüttgütern von Vorteil ist, auch wenn es sich hierbei um Granulate und Pulver mit sehr kleinen Partikelgrößen und/oder hohem Staubanteil handelt. Ein weiterer Vorteil ist die konstruktionsbedingte hohe Signalfokussierung, die keinen zusätzlichen Fokus von einer großen Antenne benötigt: Die frontbündige Linsenantenne aus Kunststoff (PEEK), die mit der OPTIWAVE Serie verfügbar ist, ist bei dieser Art Anwendung weit verbreitet. Dank der kleinen Größe kann sie mit Gewindeanschlüssen verwendet werden und macht in einigen Fällen auch den Flansch überflüssig, was große Kosteneinsparungen bedeutet. Das 80 GHz-Radar zeichnet sich darüber hinaus durch einen enormen Messbereich mit kleiner Blockdistanz aus, was es ermöglicht, den Behälter fast bis zur Antenne zu füllen.

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