Radarsensoren zur Füllstandsmessung Welche Frequenzbereiche für welche Anwendung? So wählen Sie den richtigen Radarsensor zur Füllstandsmessung

Schneller, höher, weiter – in den vergangenen fünf Jahren hat sich bei der Entwicklung von Radarsensoren zur Füllstandsmessung von Flüssigkeiten und Schüttgütern viel getan. Nicht immer ist die Wahl des richtigen Sensors einfach. Ein wenig Theorie und praktische Beispiele bringen Licht in den Geräte-Dschungel.

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Emerson Process Management GmbH & Co.OHG

BD|SENSORS GmbH

Radarsensoren sind komplexe Geräte, die durch das Zusammenspiel hochmoderner Mikrowellenkomponenten und aufwändiger Signalanalyse in der Lage sind, Füllstände in unterschiedlichsten Anwendungen zu erfassen. Neue Elektronikkomponenten und ausgeklügelte Gerätedesigns machen die Sensoren immer leistungsfähiger und eröffnen immer breitere Einsatzgebiete. Frequenzbereiche, die vor einigen Jahren noch nicht realisiert werden konnten, versprechen die Lösung für viele der heutigen Herausforderungen. Während für die Entwicklung der Geräte erfahrene Spezialisten und hochmoderne, kostspielige Technik notwendig sind, sollte ihre Bedienung und Handhabung für den Anwender jedoch möglichst einfach sein. Für ihn ist es schwierig, die Vorteile der verschiedenen Techniken für sich zu erkennen und den größtmöglichen Nutzen daraus zu ziehen.

Um die Entfernung zur Füllgutoberfläche zu messen, gibt es zwei verschiedene Verfahren – das Puls-Radar-Verfahren und das FMCW- Verfahren. Während das Puls-Verfahren die Laufzeit der Mikrowellenpulse durch ein spezielles Abtastverfahren misst, wird bei dem FMCW-Prinzip die Entfernung durch einen Frequenzvergleich eines in der Frequenz modulierten Dauersignals, errechnet. Für den Anwender macht dies kaum einen Unterschied, allerdings ist für die aufwändige Signalaufbereitung beim FMCW-Verfahren eine FFT (Fast Fourier Transformation) erforderlich. Sie erfordert deutlich mehr Rechenleistung des Prozessors, was mehr Energie kostet oder die Zykluszeit der Messung verlangsamt.

Jede Frequenz hat ihre Stärken und Schwächen

Die Auswahl der Frequenzbereiche war zu Beginn der Entwicklung von Radarsensoren an die Verfügbarkeit von geeigneten Elektronikkomponenten gebunden. Deshalb wurden Frequenzbereiche um 10 GHz verwendet. Später orientierte man sich an den international zugelassenen Frequenzbändern wie dem C-, K- und W-Band mit den Bereichen von ca. 6 GHz, 25 GHz und 75 GHz. Jede Frequenz hat ihre Stärken und Schwächen, deshalb ist es nicht möglich, von dem am besten geeigneten Frequenzbereich für Radarsensoren zu sprechen. Dieser hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Fakt ist jedoch, dass Sensoren im Frequenzbereich von 25 GHz heute in den unterschiedlichsten Anwendungen sicher und zuverlässig funktionieren und dadurch bereits einen Marktanteil von ca. 80 Prozent haben.

Ein wichtiges Maß für die Leistungsfähigkeit eines Radargerätes ist die Systemempfindlichkeit, d.h. die Möglichkeit große und kleine Reflexionssignale zu unterscheiden. Gerade hier hat sich in den vergangenen Jahren sehr viel getan – neue Mikrowellenkomponenten eröffneten völlig neue Einsatzgebiete. Vor allem bei Sensoren, die für die Messung von Schüttgütern eingesetzt werden, ist die hohe Empfindlichkeit wichtig, denn nur ein Bruchteil der gesendeten Energie kommt wieder zum Empfänger zurück.

Die Empfindlichkeit von Radarsensoren für Schüttgüter liegt bei bis zu 100 dB, dies bedeutet, dass noch Signale gemessen werden können, die zehn Milliarden mal kleiner sind als das Sendesignal. Klarer werden diese Dimensionen an einem mechanischen Beispiel – eine Lkw-Waage, die in der Lage ist, einen voll beladenen Sattelzug mit 40 Tonnen zu wiegen, müsste in der Lage sein, auch ein einzelnes Haar zu messen, wenn sie eine Empfindlichkeit wie ein modernes Radargerät zur Füllstandsmessung hätte.

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