Der Füllstand ist einer der wichtigsten Zielparameter bei der Überwachung industrieller Prozesse. Bei der kontinuierlichen Füllstandsmessung in verschiedenen Tanks, Silos, Becken usw. ist es aufgrund der vielfältigen Einsatzbedingungen schwierig, Füllstandsmessgeräte zu finden, die allen Betriebsbedingungen gerecht werden.
Radar- und Ultraschall-Füllstandsmessgeräte sind weit verbreitete berührungslose Messgeräte. Doch worin besteht der Unterschied zwischen Radar- und Ultraschall-Füllstandsmessgeräten? Welches Messprinzip liegt diesen beiden Verfahren zugrunde? Und welche Vorteile bieten sie?
Zunächst ein Ultraschall-Füllstandsmesser
Schallwellen mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz werden im Allgemeinen als Ultraschallwellen bezeichnet. Ultraschallwellen sind eine Art von mechanischen Wellen, d. h. mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium während eines Ausbreitungsprozesses. Sie zeichnen sich durch hohe Frequenz, kurze Wellenlänge, geringe Beugungsphänomene und gute Richtwirkung aus und können sich geradlinig und gerichtet ausbreiten.
Die Ultraschallabsorption in Flüssigkeiten und Feststoffen ist sehr gering, daher ist das Eindringvermögen hoch. Insbesondere in lichtundurchlässigen Feststoffen kann Ultraschall über mehrere zehn Meter eindringen. Trifft er auf Verunreinigungen oder Grenzflächen, erfährt er eine signifikante Reflexion. Die Ultraschall-Füllstandsmessung nutzt diese Eigenschaft.
In der Ultraschall-Detektionstechnik ist es bei allen Ultraschallgeräten notwendig, elektrische Energie in Ultraschallstrahlung umzuwandeln und diese dann wieder in elektrische Signale zurückzugewinnen. Das Gerät, das diese Funktion erfüllt, wird als Ultraschallwandler oder auch als Sonde bezeichnet.
Im Betrieb wird der Ultraschallwandler über dem Messobjekt positioniert und sendet Ultraschallwellen nach unten aus. Die Ultraschallwelle durchdringt die Luft, wird beim Auftreffen auf die Oberfläche des Messobjekts reflektiert und vom Wandler empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird anschließend von der Elektronik in ein Pegelsignal für die Anzeige und Ausgabe umgewandelt.
Zwei, Radar-Füllstandsmesser
Die Funktionsweise des Radar-Füllstandsmessers entspricht der des Ultraschall-Füllstandsmessers; auch er arbeitet nach dem Sende-Reflekt-Empfangs-Prinzip. Der Unterschied besteht darin, dass die Messung beim Radar-Ultraschall-Füllstandsmesser hauptsächlich auf dem Ultraschallwandler basiert, während der Radar-Füllstandsmesser mit einem Hochfrequenzkopf und einer Antenne arbeitet.
Ultraschall-Füllstandsmesser nutzen mechanische Wellen, während Radar-Füllstandsmesser mit elektromagnetischen Wellen im Ultrahochfrequenzbereich (einige bis mehrere zehn Hertz) arbeiten. Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, und die Laufzeit kann mithilfe elektronischer Bauteile in ein Füllstandssignal umgewandelt werden.
Ein weiteres gebräuchliches Radarfüllstandsmessgerät ist das geführte Wellenradar-Füllstandsmessgerät.
Ein geführtes Radar-Füllstandsmessgerät basiert auf dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie (TDR). Der elektromagnetische Impuls des Messgeräts breitet sich entlang des Stahlkabels oder der Sonde mit Lichtgeschwindigkeit aus. Trifft er auf die Oberfläche des Messmediums, wird ein Teil des Impulses reflektiert und als Echo auf demselben Weg zum Sender zurückgesendet. Die Entfernung zwischen Sender und Oberfläche des Messmediums ist proportional zur Laufzeit des Impulses; anhand dieser Laufzeit wird der Flüssigkeitsstand berechnet.
Drittens, die Vor- und Nachteile von Radar- und Ultraschall-Füllstandsmessgeräten
1. Die Genauigkeit von Ultraschall ist nicht so gut wie die von Radar;
2. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Frequenz und Antennengröße ist das Radarfüllstandsmessgerät mit höherer Frequenz kleiner und einfacher zu installieren;
3. Da die Radarfrequenz höher ist, ist die Wellenlänge kürzer, und es kommt zu einer besseren Reflexion an geneigten festen Oberflächen;
4. Der tote Winkel bei Radarmessungen ist kleiner als bei Ultraschallmessungen;
5. Aufgrund der höheren Radarfrequenz ist der Radarstrahlwinkel klein, die Energie konzentriert sich und die Echofähigkeit wird verbessert, was wiederum dazu beiträgt, Interferenzen zu vermeiden.
6. Im Vergleich zu Ultraschall-Füllstandsmessern, die mit mechanischen Wellen arbeiten, ist Radar im Grunde unempfindlich gegenüber Vakuum, Wasserdampf in der Luft, Staub (mit Ausnahme von Graphit, Ferrolegierungen und anderen hochdielektrischem Staub), Temperatur- und Druckänderungen;
Veröffentlichungsdatum: 18. September 2023