VEGA Grieshaber KG

Der Radarsensor Vegapuls 69 mit einer leichten Kunststoffantenne aus PP und einer im Flansch integrierten Linsenantenne.

Bild: Vega

Prozessautomation & Messtechnik Die Zeit ist reif!

14.09.2015

Es lohnt sich, Entwicklungen in anderen Branchen im Auge zu behalten. So hat sich in den vergangenen Jahren die 79-GHz-Radartechnik in der Automobilindustrie rasant weiter­entwickelt. Komponenten, die selbst kleinste Signale noch erfassen können, kamen auf den Markt. Die Zeit war damit reif für einen Radarsensor, der ein breiteres Anwendungsspektrum abdeckt als bisher.

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Radarfüllstandmessgeräte haben in vielen Industriebereichen bisherige Messprinzipien wie elektromechanische Lotsysteme oder Ultraschallgeräte weitgehend abgelöst. Schritt für Schritt wurden die Anwendungsgebiete erweitert, sodass Anwender immer häufiger auf diese Technologie zurückgreifen. So hat das Schiltacher Unternehmen Vega inzwischen mehr als 100.000 Radarsensoren allein im Schüttgutbereich installiert. Allerdings – so die bisherige einhellige Meinung der Experten – ein Messgerät, das wirklich alle Anwendungen abdeckt, war bisher nicht in Sicht. Dank neuer Entwicklungen in der Automobilindustrie gelang es nun, ein Radarfüllstandmessgerät mit einer Frequenz von 79 GHz zu entwickeln, das besser fokussiert und einen höheren Dynamikbereich hat.

Besser Fokussieren

Ein Radarsensor kann nur den richtigen Füllstand messen, wenn auch ein richtiges Füllstandecho vorhanden ist. Speziell bei Schüttgütern gilt: Weisen die Störsignale die gleiche Größe wie das Füllstandecho auf, ist eine zuverlässige Messung nicht möglich. Mit der Frequenz von 79 GHz lässt sich das Sendesignal nun besser fokussieren. Vor allem bei Behältern mit vielen Einbauten hilft die gute Fokussierung, das eigentliche Messsignal von Störsignalen besser zu trennen. Der Öffnungswinkel der abgestrahlten Radarenergie und damit auch das Fokussieren hängt von zwei Faktoren ab: der Sendefrequenz und der wirksamen Antennenfläche. Das bedeutet, dass mit einer höheren Frequenz bei gleicher Antennengröße eine deutlich bessere Fokussierung erreicht wird. Der Vegapuls 69 arbeitet mit einer Antennengröße von zirka 75 mm. Dadurch wird ein Öffnungswinkel von nur 4° erreicht. Zum Vergleich: Bei einem Radarsensor mit 26-GHz-Sendefrequenz beträgt der Öffnungswinkel etwa 10° bei gleicher Antennengröße. Dagegen geht der 79-GHz-Strahl an Einbauten oder Anhaftungen der Behälterwand vorbei, das macht die Messung sicherer und zuverlässiger.

Der Dynamikbereich bei Radarsensoren liefert eine Aussage darüber, in welchen Anwendungsbereichen ein Sensor eingesetzt werden kann. Die Dynamik beschreibt den Unterschied zwischen größtem und kleinstem Signal, welches vom System noch detektiert werden kann. In der Praxis heißt das, je größer die Dynamik, desto breiter das Einsatzspektrum der Sensoren. Besonders bei Anwendungen, in denen sehr unterschiedliche Medien gelagert werden, bietet die universelle Einsatzmöglichkeit des Sensors Vorteile. Aufgrund des großen Dynamikbereichs von 120 dB des Vegapuls 69 können selbst kleinste Reflexionen gemessen werden.

Breiter Einsatzbereich

Der Radarsensor hat zudem einen breiteren Anwendungsbereich. Mit einem Messbereich bis zu 120 m, einer Reaktionszeit kleiner 1 s und einer Genauigkeit von ±5 mm sind genügend Leistungsreserven, selbst für ungewöhnliche Einsätze, vorhanden. Der Messbereich ist ein Indiz für die Leistungsfähigkeit des kompletten Systems. So kann der Vegapuls 69 aufgrund seiner guten Fokussierung und dem hohen Dynamikbereich in 120-m-Entfernung auch schlecht reflektierende Schüttgüter erfassen. Das System ist so ausgelegt, dass der Sensor in kleinsten Messbereichen mit denselben Werten arbeitet. Dabei deckt der Radarsensor ganz unterschiedliche Anwendungen ab – von kleinen Schüttgutcontainern bis zu großen Lagerhallen.

Anwendung Kunststoffe und Baustoffe

Kunststoffpulver oder Granulate werden meist in hohen, sehr schlanken Behältern gelagert. Umlaufende Schweißnähte, selbst wenn diese nur wenige Millimeter stark sind, führen in Silos immer wieder zu Störreflexionen. Im schlechtesten Fall gibt es alle 50 cm eine solche Schweißnaht, die das eigentliche Nutzsignal überdecken kann. Gerade bei Kunststoffpulvern mit schlechten Reflexionseigenschaften war es bislang sehr schwierig, einen geeigneten Installationspunkt zu finden. In manchen Fällen mussten große Parabolantennen eingesetzt werden, um eine gute Fokussierung zu erreichen und die Störsignale zu reduzieren.

Mit neuen Mikrowellenkomponenten, die selbst kleinste Reflexionen erfassen, lassen sich auch schlecht reflektierende Schüttgüter wie zum Beispiel Kunststoffpulver messen – die Echos vom Medium sind größer. Somit lässt sich das eigentliche Messsignal besser vom Störsignal trennen. Der Vegapuls 69 liefert nun präzise Messsignale selbst in Anwendungen, in denen bisher unsichere Messungen an der Tagesordnung waren.

Eine weitere Anwendung, die besonders von dem schmalen Öffnungswinkel profitiert, ist die Messung in segmentierten Behältern oder Mischsilos in der Zement- und Baustoffindustrie. Diese Mischsilos verfügen häufig über Trapezbleche als Zwischenwände. Im Vergleich zum Schüttgut verursachen diese Bleche sehr große Störsignale, die bisher mit aufwändigen Auswertealgorithmen bearbeitet werden mussten. Die bessere Fokussierung führt nun zu genaueren und vor allem sicheren Messergebnissen. Aber auch unkompliziertere Anwendungen profitieren davon, weil dadurch eine größere Messsicherheit über den gesamten Messbereich sichergestellt wird. Für den Anwender ist die Inbetriebnahme einfacher und bequemer geworden.

Anwendung Nahrungsmittelindustrie

Bei vielen Produkten in der Nahrungsmittelindustrie wird aufgrund der kleinen Dielektrizitätszahl nur ein Bruchteil der Energie an der Füllgutoberfläche reflektiert. Gleichzeitig werden viele Produkte, zum Beispiel Mehle, in sehr hohen, schlanken Silos gelagert, um auf einer kompakten Fläche eine hohe Füllmenge zu konzentrieren und eine möglichst große Sortenvielfalt zu lagern. Eine weitere Problematik: In der getreidever­arbeitenden Industrie werden die Silozellen oft mit verschiedenen Medien befüllt. Je nach Bedarf wird Weizen, Mais oder auch Kleie in den Silos bevorratet. Die verschiedenen Medien mit für einen Radarsensor sehr unterschiedlichen Reflexionseigenschaften in Verbindung mit hohen schlanken Silos waren oft eine Herausforderung für die Messtechnik. Aufgrund der hohen Dynamik und Fokussierung deckt der Sensor nun einen extrem breiten Anwendungsbereich ab.

Ausstattung des Messgerätes

Der Vegapuls 69 steht in zwei Ausführungen zur Verfügung. Mit einfacher und leichter Kunststoffantenne aus PP und einer im Edelstahl-Flansch integrierten Linsenantenne. Die Antennen sind unempfindlich gegen Ablagerungen und stellen auch bei rauen Einsätzen einen wartungsfreien Betrieb sicher. Die Flanschausführung besitzt eine Schwenkhalterung aus hochwertigem Edelstahl, mit der sich die Antenne einstellen lässt, sodass der Sensor optimal in einem Bereich von ±10° ausgerichtet werden kann. Inspiriert von der Wasserwaagen-App haben sich die Vega-Ingenieure etwas Besonderes einfallen lassen. Sie entwickelten eine App, mit deren Hilfe der Neigungswinkel für die optimale Installation des Messgerätes eingestellt werden kann. Die Silodaten werden eingegeben und die App berechnet automatisch den richtigen Neigungswinkel. Das Smartphone wird dann auf das Gerät gelegt, und der Sensor lässt sich über die Schwenkhalterung schnell und optimal ausrichten.

Füllstände zuverlässig messen

Ob die Sensoren mit der höheren Frequenz alle bisherigen Messaufgaben immer besser lösen können, wird die Praxis zeigen. Mehr als zehn Jahre Erfahrung mit der bisherigen 26-GHz-Technik in Schüttgütern lassen sich nicht von heute auf morgen mit einem neuen System ersetzen. Allerdings sind die ersten Ergebnisse im Feld ermutigend. Schon vor der offiziellen Markteinführung im September vergangenen Jahres wurde eine Nullserie weltweit installiert – damals war das Feed­back bereits durchweg positiv. Seitdem wurden über 3.500 Geräte verkauft und vor allem komplexe Messanwendungen erschlossen, bei denen man bis dahin nicht glaubte, dass eine zuverlässige Füllstandmessung überhaupt möglich wäre. Insbesondere in diesen Messsituationen zeigt sich jedoch die Stärke des Vegapuls 69 und dass eine sichere Füllstandmessung einfach sein kann.

Bildergalerie

  • Die bessere Fokussierung des Radarsensors bedeutet eine höhere Messsicherheit über den gesamten Messbereich.

    Bild: Vega

  • Eine Anwendung, die besonders vom schmalen Öffnungswinkel des Vegapuls 69 profitiert, ist der Einsatz in Kunststoffgranulat-Silos mit Mischrohren.

    Bild: Vega

  • Die berührungslose Füllstandmessung mit dem Radarsensors sichert die Zutaten für jede Mehlmischung.

    Bild: Vega

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