Radar-Strahlwinkel: Berechnung und Installationsregeln | METRAVON

Strahlwinkel von Radar-Füllstandsensoren: Bedeutung und Auslegung für Ihren Tank

Der Strahlwinkel eines Radar-Füllstandsensors beschreibt das Abstrahlverhalten der Antenne nach der im Datenblatt angegebenen Definition. Üblich ist der volle Winkel an der Halbwertsgrenze (−3 dB). Ein gebündelter Strahl kann helfen, Wände und Einbauten zu vermeiden. Die Frequenz allein bestimmt jedoch weder den Strahlwinkel noch die Eignung einer Einbauposition.

Den angegebenen Strahlwinkel verstehen

In den meisten Datenblättern ist der volle Strahlwinkel angegeben, nicht der Halbwinkel. Am Rand dieses Kegels liegt die Leistung um 3 dB unter dem Wert auf der Mittelachse, also bei 50 %. Dort endet das Signal nicht: Ein stark reflektierendes Objekt knapp außerhalb des Nennkegels kann weiterhin erfasst werden. Bei der Montage ist deshalb zusätzlicher Abstand einzuplanen.

Da sich der Strahl mit zunehmender Entfernung aufweitet, wächst der Durchmesser des Messflecks linear:

Messfleckdurchmesser (m) ≈ 2 × Entfernung (m) × tan(θ / 2)

Dabei ist θ der volle Strahlwinkel. Für kleine Winkel gilt näherungsweise: Messfleckdurchmesser ≈ Entfernung × Winkel im Bogenmaß. Ein Strahlwinkel von 4° ergibt somit ungefähr 70 mm Messfleckdurchmesser je Meter Messentfernung.

Messfleckgröße bei verschiedenen Entfernungen

Bei 10 m Messentfernung beträgt der geometrische Durchmesser eines 8°-Strahls etwa 1,4 m. Planen Sie zusätzlichen Abstand für die Einbauposition, die Antenneneigenschaften und mögliche starke Reflektoren außerhalb des Nennkegels ein.

Den Messfleck mit der Behältergeometrie abgleichen

Schmale Tanks

Bei 8 m Messentfernung beträgt der geometrische Messfleckdurchmesser eines 10°-Strahls etwa 1,40 m, bei einem 4°-Strahl dagegen etwa 0,56 m. In einem Tank mit 1 m Durchmesser bleibt mit dem schmaleren Kegel mehr Abstand. Die Eignung der Einbauposition hängt jedoch weiterhin vom seitlichen Versatz, dem Wandmaterial, den Einbauten und den Antenneneigenschaften ab.

Standrohre und lange Stutzen

Ein langer Stutzen kann Nahfeld- und Mehrfachreflexionen verursachen. Aus der Strahlgeometrie im Fernfeld allein lässt sich keine zulässige Stutzenlänge ableiten. Maßgeblich sind die antennenspezifischen Vorgaben zu Stutzendurchmesser, Länge, Antennenüberstand und Oberflächengüte in der Montageanleitung.

Tanks mit Einbauten

Rührwerke, Heizschlangen, Leitbleche und Leitern können im Strahlkegel liegen. Ein schmalerer Strahl beseitigt diese Einbauten nicht, erfasst aber gegebenenfalls weniger davon und verringert die von ihnen zurückgestrahlte Energie.

Schaum und Medien mit niedriger Dielektrizitätskonstante

Ein schmaler Strahl kann die Unterscheidung zwischen Oberflächenecho und Störreflexionen im Tank verbessern. Die Messleistung bei Schaum und schwach reflektierenden Flüssigkeiten hängt aber auch vom Dynamikbereich, der Antennenausführung und dem Medium ab. 80 GHz durchdringt Schaum nicht grundsätzlich besser als 26 GHz.

Stutzenabmessungen und erforderliche Montageabstände

1. Wählen Sie den Innendurchmesser und die Länge des Stutzens anhand der Montagezeichnung für die konkrete Antenne.
2. Vermeiden Sie unnötig lange Stutzen und innere Kanten. Eine zusätzliche Stutzenlänge vergrößert die Blockierdistanz nicht nach einer allgemeingültigen Eins-zu-eins-Regel.
3. Vergleichen Sie beim niedrigsten Betriebsfüllstand den Strahlradius mit dem Abstand zur nächsten Wand und zu Einbauten. Berücksichtigen Sie den modellspezifischen Montageabstand und eine zusätzliche Reserve. Der Nennkegel ist keine Grenze, außerhalb derer Reflektoren unsichtbar wären.
4. Halten Sie den Messweg vom einströmenden Medium und den dadurch verursachten Oberflächenbewegungen frei.
5. Vermeiden Sie die Montage direkt über einer Rührwerkswelle, auch wenn die Blätter unterhalb des Messbereichs liegen.
6. Prüfen Sie bei Kunststoff- oder GFK-Behältern mögliche Reflexionen an Strukturen außerhalb des Tanks und beachten Sie die Montagevorgaben für die Antenne. Ergänzen Sie nicht pauschal einen Metallflansch oder ein Metallrohr in der Annahme, damit eine allgemein wirksame Hochfrequenzabschirmung zu schaffen.

Was ein kleinerer Strahlwinkel nicht behebt

• Die Dämpfung durch Schaum hängt von dessen Dicke, Flüssigkeitsanteil, Leitfähigkeit und Blasenstruktur ab. Eine stärkere Strahlbündelung beseitigt diese Einflüsse nicht.
• Kondensation auf der Antenne: Ein schmaler Strahl verhindert keinen Flüssigkeitsfilm auf der eigenen Antennenfläche.
• Sehr niedrige Dielektrizitätskonstante in einem hohen Tank: Bei 30 m Messentfernung ist selbst ein 4°-Strahl 2,1 m breit. Die von einem Medium mit εr = 1,8 zurückgestrahlte Energie kann weiterhin unter der Erkennungsschwelle liegen.

26 GHz oder 80 GHz: Der Strahlwinkel allein genügt nicht als Auswahlkriterium

Auslegungsbeispiel: 100-mm-Stutzen an einem Tank mit 1,2 m Durchmesser

Ein Tank hat 1,2 m Durchmesser und ist 8 m hoch. Sein Stutzen hat einen Innendurchmesser von 100 mm und ist 400 mm lang. Welcher Strahlwinkel ist geeignet?

• Abstand am unteren Messbereichsende: Bei einer mittigen, senkrechten Messachse in einem Tank mit 1,2 m Durchmesser beträgt der geometrisch begrenzende volle Winkel bei 8 m Messentfernung 2 × arctan(0,6/8), also etwa 8,6°. Darin ist noch keine Montagereserve enthalten. Bei seitlich versetzter Messachse ist der Abstand zur nächstgelegenen Wand geringer. Ein 4°-Strahl lässt in diesem vereinfachten Beispiel mehr geometrischen Freiraum.
• Stutzenprüfung: Die einfache Kegelrechnung ergibt für einen 4°-Strahl bei 0,4 m Entfernung etwa 28 mm Durchmesser. Dies belegt jedoch nicht die Eignung des Stutzens. Maßgeblich sind das Nahfeld der Antenne und die vorgeschriebene Montagezeichnung.
• Alternative: Bei 8 m Messentfernung ist ein 10°-Strahl etwa 1,40 m breit und damit breiter als der Tankdurchmesser von 1,2 m. Dies erhöht bei niedrigem Füllstand das Risiko von Wechselwirkungen mit der Wand, führt aber nicht zwangsläufig bei jeder Installation zu einer Fehlmessung.

Eine 4°-Antenne bietet in diesem Beispiel mehr geometrischen Abstand. Prüfen Sie vor der Geräteauswahl die Stutzenkompatibilität und die Signalqualität über den gesamten benötigten Füllstandsbereich.

Abstände an einer bestehenden Installation prüfen

1. Messen Sie den Tankdurchmesser und die Entfernung vom Flansch bis zum niedrigsten zu erfassenden Füllstand.
2. Berechnen Sie den Messfleck bei dieser Entfernung mit dem Strahlwinkel aus dem Datenblatt.
3. Berücksichtigen Sie die für das konkrete Radargerät vorgeschriebenen Montageabstände sowie den seitlichen Versatz, die Wand und die Einbauten. Ziehen Sie nicht pauschal 100 mm ab.
4. Überschreitet der Messfleck den verfügbaren Freiraum, prüfen Sie die Echokurven bei niedrigen Füllständen auf Wand- und Mehrwegechos.
5. Mögliche Anpassungen sind eine Antenne mit schmalerem Strahl oder eine kompatible Beruhigungsrohranordnung. Das Anheben des niedrigsten erfassten Füllstands ist nur zulässig, wenn die Messung die Prozessanforderungen weiterhin erfüllt.

FAQ

Wird der Strahlwinkel bei −3 dB oder −6 dB gemessen?

Verwenden Sie die im Datenblatt angegebene Antennendefinition. Bei demselben Abstrahlverhalten ist die −6-dB-Kontur in der Regel breiter als die −3-dB-Kontur. Winkel nach unterschiedlichen Definitionen sind daher nicht unmittelbar austauschbar. Keine der beiden Konturen ist eine scharfe Grenze, außerhalb derer ein metallischer Reflektor unsichtbar wird.

Kann ich den Fußabdruck aus dem Antennendurchmesser berechnen?

Antennenapertur und Wellenlänge beeinflussen den Strahl, aber auch Antennenausführung und Ausleuchtung sind entscheidend. Eine Schätzung anhand des Durchmessers ist keine Montagefreigabe. Verwenden Sie den angegebenen vollen Winkel und die Antennenzeichnung für die bestellte Ausführung. Prüfen Sie die Stutzengrenzen im Nahfeld getrennt vom Messfleck im Fernfeld.

Bedeutet ein schmalerer Strahl eine größere Reichweite?

Nicht für sich genommen. Vergleichen Sie die angegebene Messreichweite für das Medium sowie Echostärke, Antenne, Empfänger und Einbausituation. Ein gebündelter Strahl kann Störreflexionen verringern, garantiert aber kein verwertbares Oberflächenecho durch Schaum, Ablagerungen oder einen schwierigen Gasraum. Reichweite und erforderliche Abstände sind getrennt zu prüfen.

Was passiert, wenn der Strahl die Tankwand trifft?

Eine Wand oder ein Einbau kann feste Echos oder Mehrwegechos erzeugen, die die Echoverfolgung stören, insbesondere bei schwachem Oberflächenecho. Vergleichen Sie die Echokurven bei den betroffenen Füllständen mit der Behältergeometrie. Eine geometrische Überschneidung zeigt ein zu bewertendes Risiko an; sie beweist nicht, dass jede Installation einen falschen Messwert liefert.

Kann ein Beruhigungsrohr einen schmalen Strahl ersetzen?

Ein kompatibles Rohr oder eine Messkammer kann den Messweg verbessern. Abmessungen, Öffnungen, Ablagerungsrisiko und hydraulisches Ansprechverhalten müssen jedoch zum Gerät und zum Prozess passen. Prüfen Sie die erforderliche Rohranordnung und eine gegebenenfalls notwendige Kompensation. Setzen Sie nicht pauschal ein Beruhigungsrohr ein, um die Prüfung von Antenne und Stutzen zu umgehen.

Für eine Montageprüfung werden Behälterdurchmesser und -höhe, Stutzeninnendurchmesser und -länge, Betriebsfüllstände sowie die Positionen der Einbauten benötigt.Montageprüfung anfordern

Weiterführende Lektüre:Totzone des Radar-Füllstandtransmitters: Blockierdistanz berechnen und vermeiden|Radar-Echokurven lesen: Bedeutung der verschiedenen Kurvenformen