Radar-Füllstandsmessung – berührungslos messen bei anspruchsvollen Anwendungen

Aufbauend auf den theoretischen Überlegungen von James Clerk Maxwell und den Experimenten von Heinrich Hertz über die Verbreitung elektromagnetischer Wellen patentierte Christian Hülsmeyer 1904 das erste Radarmessgerät. Ab 1976 kamen erste Füllstandmessgeräte mit Radartechnik auf den Markt.

Radarsensoren sind mit unterschiedlichen Antennen und Prozessanschlüssen lieferbar. Typische Punkte bei Auslegung und Inbetriebnahme:

• Integrierte Antenne, Hornantenne, Linsenantenne, Parabolantenne
• Anpassung an die Behälterform (Polarisation, Abstand zur Behälterwand)
• Behälterboden beachten: bei konischem Boden ggf. mittig positionieren (Messung bis zum Boden)
• Radar als Distanzmessung: auf Behältermaße einzujustieren
• Bei Schüttgütern Schüttkegel berücksichtigen

Füllstandmessung für

• Flüssigkeiten
  • Lagertank, Rührwerksbehälter, Dosierbehälter
  • Standrohr, Behälter / Sammelbecken
  • Kunststofftank mit Messung durch die Tankdecke
  • Mobiler Kunststofftank (IBC)
  • Pegelmessung in Gewässern, Durchflussmessung in Gerinnen
  • Pumpstation / Pumpenschacht
  • Regenüberlaufbecken
• Schüttgüter
  • SILO, Bunker
  • Brecher
  • Halde

Messprinzipien der Radarmesstechnik

Pulsradar: Das Pulsradargerät sendet über seine Antenne eine extrem kurze, hochfrequente, frei strahlende Mikrowelle aus. Das ausgesandte Signal wird an der Mediumsoberfläche reflektiert und in der Sensorelektronik ausgewertet. Algorithmen berechnen aus den Signalen die Laufzeit, den Abstand zur Oberfläche und damit den Füllstand. Radarwellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus – die Laufzeiten sind daher sehr kurz (1 m entspricht ca. 7 ns). Typische Frequenzen liegen zwischen 5 und 80 GHz.

FMCW Radar: Das FMCW Radargerät sendet kontinuierlich eine linear frequenzmodulierte Radarwelle mit konstanter Amplitude aus. Empfangs- und Sendesignal werden gemischt; die entstehende Zwischenfrequenz entspricht der Laufzeit und ist damit ein Maß für den Abstand zwischen Antenne und Reflexionsfläche. Störreflexionen werden über Signalverarbeitung herausgerechnet. Durch große Bandbreiten ist die Auflösung sehr hoch – geeignet für einfache und schwierige Messaufgaben.

Allgemein gilt

Hauptanwendungen liegen bei Messungen zwischen 0,3 m bis zu 120 m. Radar ist einsetzbar ab einer Dielektrizitätskonstanten ε_r von ≥ 1,2. Temperaturen reichen je nach Gerät von -200 … +400 °C, Drücke von Vakuum bis zu 1000 bar. Die Messung ist weitgehend unabhängig von Druck und Temperatur – entscheidend sind Dielektrizitätszahl und Reflexionsverhalten des Mediums. Beispiele: Wasser (ε_r≈80) reflektiert stark, Paraffin (ε_r≈1,6) deutlich schwächer.

Technische Daten (geräte- und ausführungsspezifisch)

Einschränkungen und Einflüsse (Messunsicherheiten)

Dämpfung kann entstehen durch turbulente Oberflächen, Schaum, Ablagerungen oder Kondensat an der Antenne. Zusätzlich können Störreflexionen durch feste oder bewegliche Einbauten sowie ungünstige Behältergeometrien auftreten. Mindestabstände und Leerspektrum/Leerechokurve sollten beachtet werden.

Alternativer Einbau in Schwallrohren

Bei vielen Einbauten oder schwierigen Oberflächen kann Radar auch über bauseitige Schwallrohre bzw. in Bypässen realisiert werden. Das metallische Rohr wirkt als Hohlleiter und reduziert Störsignale von außen. Öffnungen im Rohr sind bei der Auslegung zu berücksichtigen.