FMCW-Radar-Füllstandmessgeräte: Vorteile, Montage und Auswahl

I. Was ist ein FMCW-Radar-Niveaumessgerät?

Ein frequenzmoduliertes, kontinuierliche Wellen-Radar-Niveaumessgerät wird üblicherweise als FMCW-Radar-Niveaumessgerät bezeichnet.

Sein grundlegendes Funktionsprinzip besteht darin, die Radar-Übertragungsfrequenz kontinuierlich innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zu variieren und das vom Oberflächenbereich des gemessenen Mediums reflektierte Signal zu empfangen.Das Gerät analysiert den Frequenzunterschied zwischen dem übertragenen Signal und dem Echo-Signal, um die Entfernung zwischen dem Radar und der Oberfläche des Mediums zu berechnen; anschließend wandelt es diese Entfernung in einen Flüssigkeits- oder Materialstand um.

Einige 24-GHz-FMCW-Radar-Geräte verwenden eine lineare Abtastbandbreite von etwa 1 GHz und führen einen periodischen Abtastvorgang über die Antenne durch.Die Betriebsfrequenzen sowie die Sweep-Bandbreiten variieren je nach Modell; die tatsächlichen Parameter sollten auf dem jeweiligen Produkt-Datasheet basieren.

II. Was sind die Funktionen der FMCW Radar-Levelmesser?

1. Kontinuierliche Frequenz-Sweep-Messung

– Der FMCW Radar misst die Entfernung mithilfe einer kontinuierlichen linearen Frequenz-Sweep-Methode.

Im Gegensatz zu Systemen, die ausschließlich auf einem Signal mit fester Frequenz basieren, bestimmt der frequenzmodulierte kontinuierliche Wellen-Radar die Position des Ziels anhand der Frequenzdifferenz zwischen dem übertragenen Signal und dem zurückkehrenden Echo; dadurch eignet er sich für die kontinuierliche Überwachung von Flüssigkeits- und Materialniveaus.

2.Eignet sich für verschiedene feste Materialien –

: FMCW Radar-Niveaumessgeräte können für verschiedene Schüttgüter sowie industrielle Rohstoffe eingesetzt werden, darunter:

• Kohle;

• Zement;

• Getreide;

• Aluminiumoxid;

• Kalkstein;

• Chemische Rohstoffe.

In Branchen wie Zement-, Chemie-, Umweltschutz-, Kraftwerks- und Lebensmittelverarbeitungsindustrie kann die Radarmessung zur kontinuierlichen Pegelüberwachung in Silos und Lagertanks eingesetzt werden.

3. Nichtkontaktmessung

Der Freiraum-Radar misst die Entfernung zur Materialoberfläche mithilfe elektromagnetischer Wellen und erfordert im Allgemeinen nicht, dass die Messkomponenten direkt mit dem Medium in Kontakt treten.

– Bei Pulvern, granularen Materialien sowie bestimmten korrosiven Medien kann dies Verschleiß- und Wartungsprobleme reduzieren, die durch den direkten Kontakt zwischen mechanischen Messkomponenten und dem Medium verursacht werden.

– III.Hauptvorteile von FMCW Radar-Niveaumessgeräten (

): Der Anwendungsbereich von FMCW Radar-Niveaumessgeräten hängt von der Radarfrequenz, dem Antennentyp, der Signalverarbeitungsfähigkeit sowie den tatsächlichen Betriebssituationen ab.

Unter geeigneten Betriebssituationen umfassen die Hauptmerkmale:

• kontinuierliche, kontaktlose Messung;

• geeignet für Flüssigkeiten oder feste Materialien;

• Eignet sich für die Höhenmessung bei relativ langen Strecken;

• – Verschiedene Antennen können je nach Betriebsumständen konfiguriert werden;

• – Eignet sich für industrielle Umgebungen mit Staub, Dampf oder komplexen Medien;

• – Geeignet für Lagerbehälter, Silos und Prozessbehälter;

– Die tatsächliche Leistung sollte je nach spezifischem Modell, Medium und Installationsbedingungen bewertet werden;

IV.Welche Antennenarten sind für Radar-Ebenenmessgeräte erhältlich?

Radar-Ebenenmessgeräte können je nach Anwendungsbedingungen mit verschiedenen Antennenarten ausgestattet werden, darunter:

• Hornantennen;

• Parabolische Antennen;

• Array-Antennen;

• Stabantennen;

• Fallförmige Antennen;

• Planare Antennen;

• Hygienische Ausführungen.

Verschiedene Antennen unterscheiden sich hinsichtlich des Strahlwinkels, der Installationsabmessungen, der Korrosionsbeständigkeit, der Anpassbarkeit an Materialaufbau sowie der Prozessverbindungen.

Daher sollte die Antennenauswahl an den jeweiligen Medien- und Standortbedingungen angepasst werden – nicht allein aufgrund des Messbereichs bestimmt werden.

V. Wie sollte ein Radar-Niveaumessgerät ausgewählt werden?

Bei der Auswahl eines Radar-Niveaumessgeräts sollte die tatsächliche Messumgebung sorgfältig bewertet werden.

Die folgenden Betriebsbedingungen sollten bestätigt werden:

• Ob oberhalb des Mediums korrosive flüchtige Gase vorhanden sind;

• Ob große Mengen Wasserdampf vorhanden sind;

• ; Ob große Mengen Staub vorhanden sind;

• ; Ob das Medium anfällig für Kristallisation ist;

• ; Ob auf der Flüssigkeitsoberfläche eine große Mengen Schaum vorhanden ist;

• ; Ob die Flüssigkeitsoberfläche signifikant schwankt;

• ; Ob das gemessene Material Pulver- oder Granulatmaterial ist;

• ; Ob die Flüssigkeit stark korrosiv ist;

• Ob das Medium eine hohe Viskosität aufweist.

Zusätzlich sollte folgendes bestätigt werden:

• Maximale Messdistanz;

• Prozesstemperatur;

• Prozessdruck;

• Installationsverbindung;

• Antennenart.

Der Messbereich ist lediglich ein Parameter bei der Auswahl eines Radars und sollte nicht als alleinige Grundlage für die Auswahl eines Modells verwendet werden.

VI.Was bei der Installation eines geführten Wellen-Radar-Füllstandmessgeräts zu berücksichtigen ist?

Das geführte Wellen-Radar verwendet einen Sondenstab oder ein Stahlkabel, um das Radarsignal zu leiten. Daher muss neben der elektrischen Installation auch die mechanische Position des geführten Wellen-Elements berücksichtigt werden.

1.Stellen Sie die Stromversorgung vor der Ersetzung des Instruments ab –

: Bevor Sie das Original-Niveaumessgerät entfernen oder Verdrahtungsarbeiten durchführen, trennen Sie die Stromversorgung des Instruments ab und führen Sie die Signalverkabelung gemäß den vor Ort geltenden elektrischen Sicherheitsvorschriften durch.

: Wiederstellen Sie die Stromversorgung nur nach Abschluss und Überprüfung der Installation sowie der Verdrahtung.

2. Vermeiden Sie Einlassstellen sowie Bereiche mit starker Störung.

Der geführte Wellenradar sollte nicht direkt an Wasserzufuhrstellen, Energiezufuhrstellen oder an Stellen installiert werden, an denen die Flüssigkeitsoberfläche stark schwankt.

Einströmende Flüssigkeit oder Material kann den Messrohling oder das Stahlkabel treffen und so Messunsicherheiten verursachen.

Während der Installation sollte verhindert werden, dass das geführte Wellen-Element direkt mit den folgenden Strukturen in Kontakt tritt:

• Poolwände;

• Tankwände;

• Tragarme;

• Rohre;

• Andere metallische Strukturen.

3.Beibehalten Sie eine angemessene Freiheit um den Probenstift oder das Stahlkabel (

). Wenn das Stahlkabel für geleitete Wellen mit einer Metallwand in Kontakt kommt, können zusätzliche Reflexionen auftreten sowie mit der Zeit mechanische Verschleißprozesse entstehen (

). Daher sollte das Element für geleitete Wellen bei der Installation korrekt positioniert werden, wobei die erforderliche Freiheit gemäß der tatsächlichen Schiffstruktur beibehalten werden muss.

Die spezifische Installationsdistanz sollte gemäß dem Instrumentenhandbuch sowie der tatsächlichen Baustellenstruktur bestimmt werden.

VII. Wie sollte die Kabelabdichtung bei einem Outdoor-Guided-Wave-Radar umgesetzt werden?

In Außen- oder feuchten Umgebungen stellt der Kabelzugang einen Bereich dar, der besonderem Schutz bedarf.

Bei der Kabelinstallation sollten die folgenden Punkte berücksichtigt werden:

• Die Kabelschraube sicher anziehen;

• Leitungskonnektoren ordnungsgemäß versiegeln;

• Die wasserdichte Integrität der Messgerät-Hülle gewährleisten;

• Grundschutzkabel korrekt installieren;

• : Vor dem Eintritt des Kabels in das Instrument eine „Drip-Loop"-Biegung einbauen.

: Eine „Drip-Loop"-Biegung ermöglicht es dem Kabel, vor dem Eintritt in das Instrument eine nach unten gerichtete Biegung einzunehmen.

: Dadurch kann Regenwasser oder Kondensat vom niedrigsten Punkt herabtropfen, wodurch das Risiko verringert wird, dass Wasser entlang des Kabels in die Gehäuse des Instruments gelangt.

VIII. Was bei der Isolationsprüfung von Signalkabeln zu berücksichtigen ist?

Einige industrielle Installationen erfordern nach der Installation von Signalkabeln eine Isolationsprüfung.

Beispielsweise können bestimmte Projektanforderungen folgende Parameter vorsehen:

• Prüfspannung von 500 VDC;

• Prüfdauer von 60 s;

• Isolationswiderstand ≥ 20 MΩ.

Dies sind spezifische Anforderungen zur Projektannahme und stellen keine universellen Parameter für alle Radar-Füllstandmesssysteme dar.

Bevor Sie eine Isolationsprüfung durchführen, stellen Sie sicher, dass die Instrumentelektronik von der Schaltung getrennt ist. Die Prüfung sollte gemäß dem Instrumentenhandbuch sowie den elektrischen Projektanforderungen durchgeführt werden, um zu verhindern, dass die Prüfspannung die elektronischen Geräte beschädigt.

IX. Wie sollte ein Radar-Niveaumesser verbunden werden?

Radar-Niveaumessgeräte können unterschiedliche Stromversorgungs- und Signalausgangskonfigurationen verwenden.

Bevor Sie das Gerät verdrahten, prüfen Sie stets:

• Gerätetikett;

• Nennspannung der Stromversorgung;

• Wechselstrom- oder Gleichstromversorgung;

• Anschlussdefinitionen;

• Signalpolarität;

• Erdungsanschluss;

Die Verkabelung sollte nicht ausschließlich auf Erfahrungen mit anderen Messinstrumentenmodellen basieren;

Einige Installationsdokumente für Radar-Füllstandmessgeräte empfehlen geschirmte Doppelkabel mit einer Leiterquerschnittsfläche von etwa 0,5 mm²–2 mm².

Die tatsächliche Kabelspezifikation sollte gemäß folgenden Parameter bestimmt werden:

• Stromversorgung des Instruments;

• Signalart;

• Kabelabstand;

• Elektrische Standards vor Ort;

X.Typisches Verkabelungsverfahren für Radar-Levelmesser (

): Die Vor-Ort-Verkabelung umfasst in der Regel die folgenden Schritte:

1. – Entschalten der Stromversorgung;

2. – Überprüfung der Instrumentenplakette sowie der Anforderungen an die Stromversorgung;

3. – Öffnen des Instrumenten-Terminalaufnahmefeldes;

4. – Einlegen des Kabels in das Instrument über die Kabelhülse;

5. – Verkabelung der Strom- und Signalleitungen gemäß den Terminalmarkierungen;

6. Durchführen Sie Abschirmung und Erdung gemäß den elektrischen Spezifikationen;

7. Überprüfen Sie die Verkabelung sowie die Polarität erneut;

8. Spannen Sie die Kabelschraube fest;

9. Überprüfen Sie die Abdichtung der Gehäuse;

10. Wiederherstellen der Stromversorgung nach Bestätigung, dass alles korrekt ist.

Die spezifische Drahtabtrittslänge, die Werkzeugspezifikationen sowie die Bedienungsanweisungen für die Anschlüsse sind gemäß dem Handbuch für das entsprechende Modell zu befolgen.

XI. Warum erfordern Radar-Füllstandmessgeräte Abschirmung und Erdung?

Industrieanlagen können Motoren, Frequenzumrichter, Pumpen, Hochleistungskabel sowie andere elektrische Geräte enthalten, die elektromagnetische Störungen erzeugen können.

Die korrekte Verwendung geschirmter Kabel sowie der Erdung kann die Stabilität der Signalübertragung verbessern.

Ob die Kabelschirmung mit einer Einzel-Erdung oder einer anderen Erdungsart ausgestattet werden soll, sollte gemäß dem Instrumentenhandbuch sowie den Anforderungen des elektrischen Projektentwurfs bestimmt werden.

Eine unsachgemäß durchgeführte Mehrpunkte-Erdung kann Erdkreise erzeugen; daher sollte nicht bei jeder Installation die einheitliche Einzel-Erdungsart angewendet werden.

XII. Welchen Zweck haben Standards für Radar-Flüssigkeitspegelmessgeräte?

Standards für Radar-Flüssigkeitspegelmessgeräte werden hauptsächlich zur Regulierung des Produktdesigns, der Fertigung, der Prüfung, der Installation sowie für industrielle Anwendungen eingesetzt.

Ingenieurprojekte sollten sich auf Anforderungen konzentrieren, die mit folgenden Bereichen zusammenhängen:

• Elektrische Sicherheit;

• Explosionsschutz;

• Umweltschutz;

• Installation;

• Signalanschlüsse;

• Technische Projektanforderungen.

Der Zweck von Standards besteht nicht lediglich darin, Inhalte zu einer Produktbeschreibung hinzuzufügen, sondern darin, zu bestätigen, ob ein Messgerät den technischen und sicherheitstechnischen Anforderungen des jeweiligen Projekts entspricht.

XIII. Auswahlcheckliste für Radar-Niveaumessgeräte

– FAQ –

– Frage 1: Was ist ein FMCW Radar-Füllstandmessgerät?

: Der FMCW-Radar ändert kontinuierlich die übertragte Frequenz und analysiert den Frequenzunterschied zwischen dem übertragenen und dem reflektierten Signal, um die Entfernung zu berechnen; diese Entfernung wird anschließend in einen Flüssigkeits- oder Materialstandswert umgewandelt.

Q2: Verwenden alle FMCW-Radar-Standmesser eine Frequenz von 24 GHz?

: Nein. Die Frequenz von 24 GHz ist lediglich eine der Betriebsfrequenzen, die bei bestimmten Produkten verwendet wird. Verschiedene Radar-Standmesser können unterschiedliche Betriebsfrequenzen sowie verschiedene Abtastbandbreiten verwenden.Spezifische Parameter sollten aus dem entsprechenden Produkt-Datasheet bestimmt werden.

Q3: Warum sollte das Stahlkabel eines geführten Wellenradars keinen Kontakt mit der Tankwand haben?

Ein Kontakt zwischen dem Stahlkabel und metallischen Strukturen kann zusätzliche Reflexionen verursachen; zudem kann langfristige Reibung zu mechanischer Verschleißbildung führen. Daher sollte während der Installation eine angemessene Abstandsstrecke eingehalten werden.

Q4: Muss ein Radar-Niveaumessgerät ein Kabel mit einem Querschnitt von 0,5–2 mm² verwenden?

Nicht notwendigerweise. Dieser Messbereich gilt nur für bestimmte Produkte. Die tatsächliche Kabelspezifikation sollte gemäß dem spezifischen Instrumentenhandbuch, der Kabeldistanz sowie den vor Ort geltenden elektrischen Normen ermittelt werden.

Q5: Reicht es aus, lediglich den Messbereich zu überprüfen, wenn man einen Radar-Füllstandmessgerät auswählt?

Nein.Die Medienbedingungen, Temperatur, Druck, Staub, Dampf, Korrosion, Kristallisation, Schaum, Viskosität, Installationsverbindungen sowie andere Betriebsbedingungen sollten ebenfalls bestimmt werden.

Q6: Warum sollte ein Kabel für einen Außen-Radar-Füllstandmessgerät eine Drip-Loop-Struktur aufweisen?

– Eine Drip-Loop-Struktur reduziert das Risiko, dass Regenwasser oder Kondensat entlang des Kabels in den Einlass des Messkabels gelangt, und trägt dazu bei, die wasserdichte Zuverlässigkeit von Außenanlagen zu verbessern.

Schlussfolgerung:

FMCW Radar-Niveaumessgeräte messen die Entfernung mithilfe linear frequenzsweepender Radarsignale und können zur Niveauüberwachung von Kohle, Zement, Getreide, Aluminiumoxid, Kalkstein, chemischen Rohstoffen sowie anderen Medien eingesetzt werden.

In praktischen Anwendungen hängt die Messleistung eines Radar-Füllstandmessgeräts nicht nur vom Messbereich ab, sondern ist zudem eng mit folgenden Faktoren verknüpft:

Mediumeigenschaften, Staub, Dampf, Korrosion, Kristallisation, Schaum, Antennenart sowie Installationsbedingungen.

Bei der Installation eines geführten Wellenradars sollte besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt werden, sicherzustellen, dass der Sondenstab oder das Stahlkabel korrekt positioniert sind und keinen Kontakt zu umgebenden Metallkonstruktionen haben.

Bei der elektrischen Installation sollte besondere Aufmerksamkeit folgenden Aspekten gewidmet werden:

– Stromversorgung, Anschlussklemmen, Abschirmung, Erdung sowie Abdichtung von Kabelzugängen;

– spezifische Abmessungen, Kabelspezifikationen, Prüfparameter und Verdrahtungsverfahren sollten auf dem Datenblatt, dem Installationshandbuch sowie den elektrischen Projektanforderungen für das entsprechende Radar-Füllstandmessgerät basieren.