Welche Aufgabe hat die Antenne eines Radar-Füllstandtransmitters? Antennentypen, Abstrahlwinkel und Auswahl

1. Was macht eine Radarpegel-Senderantenne eigentlich?

Die Antenne ist eine der wichtigsten Komponenten eines Radarpegelsenders.

Es erfüllt hauptsächlich zwei Funktionen:

Erstens:es sendet elektromagnetische Wellen zur Oberfläche des Messmediums.

Zweitens,es empfängt die von der Oberfläche des Messmediums reflektierten Radarechos.

Die Elektronikeinheit des Instruments berechnet dann den Abstand zwischen der Antenne und der Mediumoberfläche basierend auf der Beziehung zwischen dem gesendeten Signal und dem zurückgegebenen Signal.

Daher ist die Antenne nicht einfach eine externe Zubehör- oder Gehäusekomponente.

Die Antennenstruktur beeinflusst direkt:

• Strahlwinkel;

• Signalverstärkung;

• Echostärke;

• Störfestigkeit;

• Abmessungen der Anlage;

• Temperaturbeständigkeit;

• Korrosionsbeständigkeit;

• Beständigkeit gegen Kondensation und Materialaufbau.

2. Warum produziert eine größere Antenne normalerweise einen schmaleren Strahl?

Für Radarinstrumente, die innerhalb des gleichen Frequenzbandes arbeiten, erzeugt eine größere effektive Antennenapertur im Allgemeinen einen schmaleren Strahl und eine höhere Richtwirkung.

Nehmen wir als Beispiel ein 26 GHz Radarprodukt von Endress+Hauser:

Eine 40-mm-Antenne entspricht einem Strahlwinkel von etwa 23°, während eine 100-mm-Antenne den Strahlwinkel auf etwa 8° reduzieren kann. Bei einem Messabstand von 20 m ist der Strahlabdeckungsdurchmesserunterschied zwischen den beiden Antennengrößen signifikant.

Siemens technische Daten für 25 GHz Industrieradar zeigen eine ähnliche Beziehung. Je nach Horngröße betragen die typischen Strahlwinkel etwa 19°, 15°, 10° und 8°, und der Hersteller empfiehlt die Verwendung einer größeren Antenne, wenn die Einbaubedingungen dies zulassen.

Dies bedeutet, dass in hohen und engen Tanks:

Je schmaler der Balken, desto leichter ist es, Tankwände und interne Strukturen zu vermeiden.

3. Was ist der Strahlwinkel eines Radarpegelsenders?

Der Strahlwinkel bedeutet nicht, dass es absolut keine Radarenergie außerhalb des angegebenen Winkels gibt.

Industrielle Radargeräte definieren normalerweise Strahlwinkel entsprechend einer spezifizierten Energiereduktionsgrenze innerhalb des Hauptstrahls, z. B. der 3 dB Strahlbreite.

Auch außerhalb des Nennstrahlwinkels kann noch Radarenergie vorhanden sein.

Daher kann ein sehr starkes reflektierendes Objekt, das sich in der Nähe des Randes des Hauptstrahls befindet, immer noch ein falsches Echo erzeugen.

Deshalb sollte die Radaranlage nicht nur anhand einer einzigen Mittellinie bewertet werden.

Die gesamte Strahlabdeckungsfläche sollte berücksichtigt werden.

4. Welche Arten von Radarantennen werden häufig verwendet?

4. 1 Hornantenne

Hornantennen sind eine der häufigsten Strukturen, die in traditionellen industriellen Radarpegelsendern verwendet werden.

Typische Merkmale sind:

• Gute Direktivität;

• ausgereifte industrielle Anwendungstechnologie;

• Verfügbarkeit in verschiedenen Öffnungsgrößen;

• Eignung für die meisten Lagertanks;

• Eignung für Flüssigkeiten und einige Bulk-Festkörper-Anwendungen.

Bei gleicher Betriebsfrequenz bietet eine größere Hornblende im Allgemeinen eine bessere Fokussierfähigkeit.

Typische Anwendungen sind:

• chemische Lagertanks;

• Wasserbehälter;

• Öltanks;

• Prozessbehälter;

• Allgemeine Schüttgutsilos.

4. 2 Parabolantenne

Die Hauptvorteile einer parabolischen Antenne sind hohe Verstärkung und starke Fokussierungsfähigkeit.

In herkömmlichen 26-GHz-Radar-Füllstandssendern für Massenkörper können große Parabolantennen sehr schmale Strahlen erzeugen. Sie sind daher besonders geeignet für:

• Hochsilos;

• Schmale Silos;

• Schiffe mit vielen internen Strukturen;

• Feststoffe mit niedrigem Reflexionsgrad;

• Hochstaubanwendungen.

Nach den technischen Daten von Endress+Hauser für ein 26 GHz Bulk-Solid-Radar können DN200 und DN250 Parabolantennen typische Strahlwinkel von etwa 4° und 3 liefern. 5 %.

4. 3 Stangenantenne

Stabantennen weisen einen relativ kompakten Aufbau auf und eignen sich für kleinere Prozessanschlüsse.

Verschiedene Produkte können PTFE, PEEK oder andere korrosionsbeständige Materialien verwenden.

Sie werden üblicherweise verwendet für:

• kleine Prozessverbindungen;

• korrosive Medien;

• Lagertanks mit begrenztem Bauraum.

Die tatsächliche Temperaturbeständigkeit, Druckfestigkeit und chemische Verträglichkeit müssen jedoch entsprechend dem spezifischen Antennenmaterial bewertet werden.

Es ist nicht anzunehmen, dass alle Stabantennen für jedes korrosive Medium geeignet sind.

4. 4 Planare Antenne

Einige planare Antennen sind speziell für Stilling-Pipe-Anwendungen konzipiert.

Zum Beispiel verwenden bestimmte Radarprodukte eine speziell entwickelte planare Antenne zusammen mit einem Metallstillrohr, um die Signalausbreitung und die Stabilität der Echomessung im Rohr zu verbessern.

Die Installationsanforderungen für diese Art von Struktur sind nicht völlig identisch mit denen des herkömmlichen Freiraumradars.

4. 5 Linse oder integrierte Antenne

Mit der zunehmenden Einführung von Hochfrequenzradar, insbesondere 80 GHz Radar, sind Kompaktlinsenantennen und integrierte Antennenstrukturen zunehmend verbreitet.

Höhere Frequenzen ermöglichen es, schmalere Strahlen mit kleineren Antennenabmessungen zu erzielen, wodurch diese Antennen besonders geeignet sind für:

• kleine Schiffe;

• kleine Prozessverbindungen;

• Tanks mit komplexen internen Strukturen;

• Anlagen in der Nähe der Tankwand.

5. Warum ist die Antennenauswahl besonders wichtig für die Messung des Bulk-Solid-Niveaus?

Schüttgüter verhalten sich anders als Flüssigkeiten.

Eine flüssige Oberfläche ist normalerweise relativ flach, während sich Schüttgüter bilden können:

• Ruhewinkel;

• Materialspitzen;

• Materialvertiefungen;

• Unregelmäßige Oberflächen.

Zum Beispiel, wenn Material von oben gefüllt wird, kann es einen konischen Haufen bilden.

Beim Austragen von Material aus dem Boden kann sich eine trichterförmige Vertiefung ausbilden.

In diesen Situationen können Radarwellen, die auf verschiedene Bereiche der Materialoberfläche treffen, unterschiedliche Reflexionen erzeugen.

Daher erfordern Massen-Festkörper-Siloanwendungen nicht nur die Berücksichtigung der Messentfernung, sondern auch:

• wenn der Radarstrahl gerichtet ist;

• die Richtung der geneigten Materialoberfläche;

• Ob das reflektierte Echo zur Antenne zurückkehren kann.

Bei hohen Silos erleichtert ein schmalerer Balken im Allgemeinen die Vermeidung der Silowände und die Konzentration der Messung auf das Zielgebiet.

6. Sollte sich die Antenne über die Montagedüse hinaus erstrecken?

Bei einigen herkömmlichen Hornantennenradarprodukten verlangen die Hersteller, dass sich das Antennenhorn über die Montagedüse hinaus erstreckt oder dass die Düse innerhalb bestimmter Abmessungen bleibt. Andernfalls kann die Montagedüse selbst starke Fehlechos erzeugen.

Diese Anforderung kann jedoch nicht auf alle Radargeräte verallgemeinert werden.

Verschiedene Arten von Radar, einschließlich:

• 26 GHz-Radar;

• 80 GHz-Radar;

• Linsenantennen

• Stabantennen;

können unterschiedliche zulässige Einbaudüsenlängen aufweisen.

Daher sollten bei der Projektbeschaffung dem Lieferanten die beiden folgenden Parameter zur Verfügung gestellt werden:

Prozessanschlussdurchmesser + Montagedüsenhöhe.

7. Werden Wassertröpfchen auf der Radarantenne die Messung beeinflussen?

Die Wirkung hängt von der Schwere der Kondensation ab.

Radar selbst ist nicht besonders empfindlich auf Veränderungen der Umgebungsfeuchtigkeit. Wenn jedoch eine große Menge an Kondensation direkt die Antennenoberfläche bedeckt, kann es:

• das Radarsignal dämpfen;

• Ändern der Strahlungseigenschaften der Antenne;

• Generieren Sie zusätzliche Nahfeld-Echos.

Starke Anhäufung von hochviskosen Medien kann ähnliche Probleme verursachen.

Wenn daher eine starke Kondensation, Kristallisation oder Materialablagerung erwartet wird, sollten bei der Modellauswahl folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Antennenoberflächenstruktur;

• Antennenmaterial;

• ob ein Luftreinigungssystem verwendet werden kann;

• Einbauwinkel;

• Ob eine Isolationsstruktur erforderlich ist.

8. Wie sollte eine Radarantenne ausgewählt werden?

Mindestens folgende Betriebsbedingungen sind anzugeben:

FAQ

F1: Ist eine größere Radarpegel-Senderantenne immer besser?

A:Innerhalb des gleichen Frequenzbandes kann eine größere Antenne im Allgemeinen einen schmaleren Strahl und eine höhere Verstärkung bereitstellen. Es müssen jedoch auch Bauraum, Prozessanschlussmaße und Betriebsbedingungen berücksichtigt werden.

Q2: Was ist besser, eine Hornantenne oder eine Parabolantenne?

A:Beides ist nicht universell besser. Hornantennen werden üblicherweise für herkömmliche Speichertanks verwendet, während parabolische Antennen für große oder hohe Silos und Anwendungen, die einen schmaleren Strahl erfordern, besser geeignet sind.

Q3: Warum verwenden 26 GHz Radarsender oft relativ große Antennen?

A:Unter ansonsten ähnlichen Bedingungen kann eine Erhöhung der effektiven Antennenapertur den Strahlwinkel weiter reduzieren und die Fokussierbarkeit verbessern.

Q4: Kann eine Radarantenne mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen?

A:Ein berührungsloses Freiraumradar muss das gemessene Medium normalerweise während des Betriebs nicht berühren. Das kontinuierliche Eintauchen der Antenne wird bei den meisten herkömmlichen berührungslosen Radarinstrumenten nicht als normaler Betriebszustand angesehen. Die Dokumentation des spezifischen Modells sollte überprüft werden.

F5: Führt Staub auf der Radarantenne zu ungenauen Messungen?

A:Eine leichte Staubschicht kann die Messung nicht sofort beeinflussen, aber eine starke Staubansammlung kann das effektive Echo schwächen. Bei Anwendungen mit Schwerstaub sollten daher Luftspülungen und regelmäßige Inspektionen in Betracht gezogen werden.

Q6: Welcher Antennentyp eignet sich für einen kleinen Prozessanschluss?

A:Kompaktstabantennen, Linsenantennen oder Hochfrequenzradardesigns kommen häufig in Betracht. Die endgültige Auswahl sollte weiterhin auf den Düsenabmessungen, dem Messbereich und den tatsächlichen Betriebsbedingungen basieren.

F7: Ist ein kleinerer Strahlwinkel immer besser?

A:Schmale Strahlen bieten klare Vorteile in komplexen und engen Gefäßen, aber die Radarauswahl muss auch das mittlere Reflexionsvermögen, den Messbereich und die Installationsstruktur berücksichtigen.

F8: Welche Informationen benötigt METRAVON, um die richtige Radarantenne zu bestätigen?

A:Es ist am besten, Tankzeichnungen oder Installationsfotos zusammen mit der Prozessanschlussgröße, dem Messbereich, den internen Strukturen und den mittleren Parametern bereitzustellen, anstatt nur die Tankhöhe anzugeben.

Schlussfolgerung

Die Antenne eines Radarpegelsenders bestimmt viel mehr als das äußere Erscheinungsbild des Instruments. Es beeinflusst direkt die Richtwirkung von Radarwellen, das Signal-Rausch-Verhältnis und die Fähigkeit des Instruments, das richtige Ziel in komplexen Tanks zu identifizieren.

Die Antennenauswahllogik unterscheidet sich bei gewöhnlichen Flüssigkeitsspeichern, korrosiven Medien, Staubsilos und engen Gefäßen.

Bei der Auswahl eines Radarpegelsenders empfiehlt METRAVON, Betriebsfrequenz, Antennentyp, Strahlwinkel und Installationsstruktur als integriertes System zu bewerten, anstatt nur den maximalen Messbereich und die nominale Genauigkeit zu vergleichen.

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Autor: Arvin · Quelle: METRAVON Instrumente