Ultraschall- oder Radar-Füllstandtransmitter: Funktionsprinzipien, Anwendungen und Auswahlleitfaden

Ultraschall- und Radarlagenmessgeräte sind beide weit verbreitete kontaktlose Technologien für die kontinuierliche Messung des Füllstands von Flüssigkeiten sowie von Feststoffen. Beide Verfahren bestimmen die Distanz zwischen dem Sensor und der Materialoberfläche, verwenden jedoch unterschiedliche Signalarten und weisen daher unter wechselnden Bedingungen – wie Temperatur, Druck, Dampf, Schaum, Staub oder anderen Prozessfaktoren – unterschiedliches Verhalten auf.

Ultraschallmessgeräte nutzen akustische Wellen, während Radarmessgeräte elektromagnetische Wellen verwenden. Dieser Unterschied im Messprinzip ist der Hauptgrund dafür, dass die beiden Technologien unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten aufweisen. Die Auswahl sollte auf der Grundlage der Prozessumgebung, der erforderlichen Genauigkeit, der Installationsbedingungen sowie der Gesamtkosten des Projekts erfolgen.

1. Wie funktioniert ein Ultraschall-Niveaussender?

Ein Ultraschall-Füllstandtransmitter ist über der Materialoberfläche installiert und sendet einen akustischen Puls in Richtung der Flüssigkeit oder des Festkörpers aus. Der Puls wird von der Oberfläche reflektiert und anschließend erneut vom Wandler empfangen.

Das Messgerät berechnet die Entfernung auf Basis der Rundlaufzeit:

Entfernung = Schallgeschwindigkeit × Rundlaufzeit ÷ 2

Ist die Referenzhöhe der Installation bekannt, so lässt sich die tatsächliche Druckhöhe wie folgt berechnen:

Druckhöhe = Referenzhöhe − gemessene Entfernung

Da die Schallwelle durch den Gasraum zwischen dem Sensor und der Materialoberfläche propagiert, beeinflussen Änderungen der Lufttemperatur, der Gaszusammensetzung sowie der Dampfdruck diese Messung.Schäumen und eine starke Luftströmung können die Schallausbreitung sowie die Echokqualität beeinflussen. Industrielle Ultraschall-Sender verwenden daher häufig eine Temperaturkompensation, um temperaturbedingte Fehler zu reduzieren.

2. Wie funktioniert ein Radarpegel-Sender?

Ein Radarpegel-Sender sendet hochfrequente elektromagnetische Wellen von einer Antenne auf die Materialoberfläche aus. Die Wellen werden von der Flüssigkeit oder dem Feststoff reflektiert und von derselben Antenne empfangen.

Das Gerät bestimmt die Entfernung entweder anhand der Signallaufzeit oder – im Fall von FMCW-Radar – anhand der Frequenzdifferenz zwischen dem gesendeten und dem reflektierten Signal.Der gemessene Abstand wird anschließend in den tatsächlichen Höhenunterschied umgewandelt.

Radar ist nicht von der Schallgeschwindigkeit in der Luft abhängig und kann auch unter Vakuumbedingungen betrieben werden. In der Regel ist es weniger empfindlich gegenüber Änderungen der Lufttemperatur, des Drucks und des Luftstroms. Die tatsächliche Radarleistung wird stärker durch die dielektrischen Eigenschaften, das Antennendesign, Schaumstoff, Kondensation, Staub sowie die Installationsgeometrie beeinflusst.

3.Hauptunterschiede zwischen ultrasonischer und radarer Niveausmessung:

4. Sind Ultraschallmessungen auf atmosphärische Bedingungen beschränkt?

Der Betriebsbereich eines Ultraschall-Füllstandtransmitters hängt vom jeweiligen Produkt ab. Industrielle Messgeräte sind in verschiedenen Varianten mit unterschiedlichen Grenzwerten für Prozess- und Umgebungstemperatur sowie Druck erhältlich, sodass Ultraschallmessungen nicht ausschließlich auf offene, vollständig nicht unter Druck stehende Behälter beschränkt sind.

Allerdings müssen Ultraschallwellen durch den Gasraum über dem Material übertragen werden. Hohe Temperaturen, erhöhter Druck, dichter Dampf, eine ungewöhnliche Gaszusammensetzung oder starke Temperaturgradienten können die Anforderungen an die Messumgebung erhöhen. Diese Bedingungen sollten im Hinblick auf die spezifischen Spezifikationen des gewählten Wandlers und des Messgeräts bewertet werden.

5. Kann Radar in jeder Anwendung anstelle von Ultraschall eingesetzt werden?

Radar- und Ultraschallmessverfahren weisen überlappende, jedoch unterschiedliche Anwendungsbereiche auf. Bei Radarverfahren bietet sich in Hochtemperatur-, Druck-, Vakuum-, Dampf- oder anspruchsvollen industriellen Prozessen in der Regel ein breiteres Betriebsfenster. Ultraschallmessverfahren stellen hingegen eine ausgereifte und wirtschaftliche Lösung für viele Wasserbehälter, Abwasserbecken, offene Kanäle sowie konventionelle Anwendungen unter atmosphärischen Bedingungen dar.

Die endgültige Technologie sollte anhand der Prozessbedingungen, der erforderlichen Messleistung, der Installationsbeschränkungen sowie der Projektkosten ausgewählt werden – und nicht darauf basierend, eine Technologie als universellen Ersatz für die andere zu betrachten.

6. Welche Technologie ist besser, wenn Schaum vorhanden ist?

Schaum stellt für beide Technologien eine Herausforderung dar. Dicker Schaum kann ultrasonische Energie absorbieren und das tatsächliche Flüssigkeit-Oberflächen-Echo erheblich verringern.Radarwellen können je nach Dicken des Schaums, dem Wassergehalt, der Blasenstruktur, den Eigenschaften des Mediums sowie der Betriebsfrequenz durch diesen Schaum abgeschwächt oder reflektiert werden.

Bei Licht- oder intermittierendem Schaum ist eine zuverlässige Messung mit beiden Technologien weiterhin möglich. Bei anhaltendem, dichtem Schaum kann hingegen ein detaillierterer Vergleich zwischen kontaktlosen Radarsystemen, Radarsystemen auf Basis von Geleiteten Wellen, druckbasierten Messverfahren oder anderen geeigneten Messverfahren erforderlich sein.

7. Welche Technologie ist für staubbeladene Bulk-Solid-Silos besser geeignet?

Sowohl Ultraschall- als auch Radartechnologien können für ausgewählte Anwendungen mit Bulk-Feststoffen eingesetzt werden; jedoch können Staub, geneigte Materialoberflächen sowie akustische Streuung den nutzbaren Einsatzbereich von Ultraschallmessgeräten verringern.

Hochfrequenz-Radar, insbesondere 80GHz Der Radar-Sensor erzeugt einen schmalen Strahl, der die Vermeidung von Silowänden, Strahlen und inneren Strukturen ermöglicht. Daher wird er häufig in Silos für Zement, Getreide, Mineralien, Kohle sowie chemische Rohstoffe eingesetzt.

Bei der Auswahl sollten weiterhin die Staubkonzentration, die Höhe des Silos, der Winkel zwischen Material und Wandfläche, die dielektrischen Eigenschaften sowie die verfügbare Montageposition berücksichtigt werden.

8. Welche Technologie bietet eine höhere Genauigkeit?

Die Messgenauigkeit lässt sich nicht allein anhand der Begriffe „Radar" oder „ultrasonisch" bestimmen. Verschiedene Messgeräte weisen unterschiedliche Genauigkeitsklassen, Messbereiche, Signalverarbeitungsfähigkeiten sowie Anwendungsbereiche auf. Auch die Installationsqualität sowie die Prozessbedingungen beeinflussen die tatsächliche Leistung im Einsatzumfeld.

Radargeräte gewährleisten in der Regel stabile Messergebnisse über einen breiten Bereich von Temperatur-, Druck- und Dampfbedingungen, wodurch sie für anspruchsvolle Anwendungen im Bereich Prozesssteuerung und Lagerung zusätzliche Produktoptionen bieten. Auch bei stabilen, herkömmlichen Wasserstandsanwendungen können Ultraschallmessgeräte eine Genauigkeit liefern, die den Anforderungen des Projekts entspricht.

– 9. Wie stehen die Kosten im Vergleich zueinander?

Es gibt kein festes Preisverhältnis zwischen Radar- und Ultraschall-Niveausendsendern. Die Produktkosten hängen von der Messreichweite, dem Radar- oder akustischen Aufbau, der Genauigkeit, der Prozesstemperatur und dem Druck, dem Gehäuseschutz, der Zertifizierung für gefährliche Bereiche, den verwendeten Materialien, der Struktur der Antenne oder des Wandlerbauteils sowie den Kommunikations-Schnittstellen ab.

Bei herkömmlichen Messungen des Wasserstands in der Atmosphäre bieten ultrasonische Sender häufig eine kostengünstige Lösung. Für Tanks mit hohen Temperaturen oder unter Druck, Vakuumprozesse, schwere Dämpfe oder staubige Silos kann die breitere Einsatzfähigkeit von Radar besser den technischen Anforderungen entsprechen.

10. Welche Technologie eignet sich für unterschiedliche Anwendungen?

Wasserbehälter und Reservoirs

Sowohl Ultraschall- als auch Radarmessverfahren können eingesetzt werden.Die Auswahl kann auf der Grundlage der Umweltbedingungen, der erforderlichen Genauigkeit sowie des Projektbudgets erfolgen.

Abwasserbecken

Es sollten Schaumstoff, Dampf und Oberflächenbewegungen berücksichtigt werden. Ultraschallverfahren eignen sich für viele herkömmliche Einsatzbedingungen, während Radarverfahren für anspruchsvollere Umgebungen in Betracht gezogen werden können.

Hochtemperatur- oder Druckbehälter

Radarinstrumente mit geeigneten Prozesstemperatur- und Druckgrenzwerten werden in der Regel zunächst geprüft.

Vakuumbehälter

Radar nutzt elektromagnetische Wellen und eignet sich für die Messung des Vakuumdrucks.

Bulk-Solid-Silos

Hoher Staubgehalt, großer Messbereich sowie komplexe Silohydraulikstrukturen sprechen häufig für Hochfrequenz-Radar.

Offene Kanäle

Die Ultraschallmessung verfügt über eine lange Anwendungsgeschichte sowie Kostenvorteile, während Radar je nach Umgebungsbedingungen ebenfalls gewählt werden kann.

11. Welche Informationen sind für die Auswahl erforderlich?

FAQ;

Frage 1: Ist die Radarlagenmessung immer besser als die Ultraschall-Lagenmessung?

A1: Die beiden Technologien weisen unterschiedliche Anwendungsbereiche auf. Radar wird üblicherweise unter anspruchsvollen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck, Vakuum, Dampf und Staub eingesetzt, während Wasserbehälter, offene Kanäle sowie konventionelle Anwendungen in der Atmosphäre je nach Projektanforderungen eine der beiden Technologien verwenden können.

Q2: Können Ultraschall-Füllstandtransmitter auch in unter Druck stehenden Behältern verwendet werden?

A2: Ausgewählte Modelle können unter begrenztem Druck betrieben werden.Das zulässige Prozessdruckniveau hängt von der Bauweise des Wandlers und des Messgeräts ab. Für Hochdruckbehälter ist in der Regel eine Bewertung mittels Radar oder einer anderen geeigneten Technologie erforderlich.

Frage 3: Wird das Radar von Schaum beeinflusst?

A3: Ja. Die Auswirkung hängt von der Schaumdicke, dem Wassergehalt, der Blasenstruktur, der Radarfrequenz sowie den Eigenschaften des Prozessmediums ab. Bei anhaltendem, dichtem Schaum ist eine gesonderte Bewertung erforderlich.

F4: Warum ist bei ultraschallbasierten Messungen eine Temperaturkompensation erforderlich?

A4: Die Schallgeschwindigkeit in Luft ändert sich mit der Temperatur. Die Temperaturkompensation korrigiert die Berechnung der Schallgeschwindigkeit und reduziert so temperaturbedingte Entfernungsfehler.

F5: Kann Radar im Vakuum betrieben werden?

A5: Ja. Radar verwendet elektromagnetische Wellen und benötigt keine Luft als Ausbreitungsmedium. Das gewählte Messgerät muss dennoch die erforderlichen Prozessbedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck und mechanischen Spezifikationen erfüllen.

Q6: Sollen feste Stoffe mittels Ultraschall oder Radar gemessen werden?

A6: Beide Technologien können für ausgewählte Feststoffe eingesetzt werden.Bei Anwendungen in Silos mit hohem Staubgehalt, großer Reichweite oder komplexen Gegebenheiten kommt häufig ein Hochfrequenz-Radar zum Einsatz, während für einfachere Anwendungen mit geringer Reichweite auch Ultraschallmessverfahren verwendet werden können.

Q7: Ist ein Radar-Füllstandtransmitter stets doppelt so teuer wie ein Ultraschall-Sender?

A7: Nein. Es gibt kein festes Preisverhältnis. Die Kosten hängen vom Messbereich, der Frequenz, der Genauigkeit, den verwendeten Materialien, den Temperatur- und Druckgrenzwerten, dem Schutz, der Zertifizierung sowie den Kommunikationsinterfaces ab.

Q8: Können beide Technologien mit einem verbunden werden?PLC?

A8: Ja. Je nach Messgerät können Schnittstellen wie 4-20mA verwendet werden, RS485 Modbus RTU und HART kann für die Integration mit verwendet werden PLCs, DCS, RTUs und Datenerfassungssysteme.

Schlussfolgerung

Der wesentliche Unterschied zwischen ultrasonischen und radaren Pegelüberlegern liegt im Messsignal. Ultraschallmessgeräte nutzen akustische Wellen, wodurch die Temperatur im Gasraum, die Zusammensetzung, die Dampfphase sowie Schaumstoffe die Ausbreitung beeinflussen können. Radarmessgeräte hingegen verwenden elektromagnetische Wellen und bieten im Vakuum sowie bei Schwankungen von Temperatur und Druck in der Regel ein breiteres Betriebsfenster.

Radar soll nicht jede Ultraschallanwendung ersetzen, und die Ultraschalltechnologie ist nicht ausschließlich auf vollständig offene, dampffreie Behälter beschränkt. Bei herkömmlichen Anwendungen zur Bestimmung des Wasserstands oder in offenen Kanälen können die ausgereifte Technologie sowie die Kosteneffizienz von Ultraschallmessungen vorteilhaft sein; bei Anwendungen unter Hochtemperaturbedingungen, unter Druck, im Vakuum, in dampfreichen Umgebungen oder in staubigen Umgebungen spricht hingegen häufig für die Prüfung von Radaranwendungen.

METRAVON kann Ultraschall- oder Radarlagenmesslösungen je nach Prozessmedium, Messbereich, Temperatur, Druck, Schaumstoff, Dampf, Staub, Gefäßgeometrie sowie Anforderungen an die Automatisierungs-Schnittstelle konfigurieren, unter Berücksichtigung von Integrationsmöglichkeiten für PLCs, RTUs, DCS und Fernüberwachungssysteme.