Radartechnologie zur Füllstandsmessung

Zur berührungslosen Füllstandsbestimmung wird neben der Ultraschall- zunehmend Radarmesstechnik in der Wasser- und Abwasserbranche eingesetzt. Ein neues Chipdesign der Endress+Hauser Messtechnik GmbH + Co. KG, Weil am Rhein, macht die Geräte kompakter und günstiger. Die neuen Messeinrichtungen sind per Smartphone und Tablet in wenigen Schritten konfigurierbar und lassen sich flexibel installieren.


Einfacher, sicherer und verschlüsselter drahtloser Fernzugriff auf das Radarmessgerät via Bluetooth ermöglicht schwer zugängliche Installationen, selbst im explosionsgefährdeten Bereich.

Einfacher, sicherer und verschlüsselter drahtloser Fernzugriff auf das Radarmessgerät via Bluetooth ermöglicht schwer zugängliche Installationen, selbst im explosionsgefährdeten Bereich.

Zur kontinuierlichen Füllstandsmessung in der Wasser- und Abwasserindustrie werden neben hydrostatischen Messverfahren auch Ultraschall sowie frei abstrahlendes Radar eingesetzt. Beide Verfahren basieren auf demselben Prinzip der Laufzeitmethode und besitzen physikalisch sowie gerätetechnisch bedingte Vor- und Nachteile. Diese können sich unter dem Einfluss verschiedener Prozess- und Umgebungsbedingungen oder der Montageposition auf die Messzuverlässigkeit und die Handhabung der Messstelle auswirken.
Ultraschallsensoren arbeiten mit Impulsen, die von der Oberfläche durch den Dichtesprung zwischen Luft und Medium reflektiert werden. Die vom Gerät gemessene Laufzeit zwischen dem Senden und dem Empfangen des zurückgeworfenen Signals ist ein direktes Maß für die Distanz zwischen Sensormembran und Oberfläche. Freiabstrahlende Radargeräte wie beispielsweise Micropilot FMR10 und FMR20 von Endress+Hauser funktionieren prinzipiell genauso, nutzen aber hochfrequente Mikrowellen, die mittels einer Antenne abgestrahlt werden.
Die aufgrund des Sprungs des Wertes der Dielektrizitätszahl (DK) reflektierten Impulse werden von der Antenne zur Elektronik übertragen. Dort wertet ein Mikroprozessor die Signale aus und identifiziert das Füllstandsecho, das durch die Reflexion verursacht wurde.
In Wasser- und Abwasser-Anwendungen werden in der Regel Radarsensoren mit Frequenzbereichen um 26 GHz eingesetzt. Sie bieten auch bei kompakten Antennengrößen eine gute Fokussierung, um eine möglichst hohe Signalstärke zu erreichen. Ein Antennendurchmesser von 40 bis 80 mm hat sich in der Praxis bewährt. Ähnlich wie bei Ultraschall wird auch bei Radargeräten die Energie keulenförmig abgestrahlt. Diese Abstrahlcharakteristik ist von der Frequenz der Mikrowelle des Gerätetyps, von der Antennengröße und vom Antennentyp abhängig. Wie bei Ultraschallsensoren sollte bei einer Messung mit Radar in überflutungsgefährdeten Bereichen zur sicheren Signalauswertung eine Überflutungshülse verwendet werden.

Vor- und Nachteile

Die Radarmesstechnik hat physikalisch bedingt in vielen Anwendungen sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Schüttgütern oder Pasten messtechnische Vorteile, besitzt jedoch Anwendungsgrenzen. Bei dieser Technik handelt es sich um ein berührungsloses, wartungsarmes und universell einsetzbares Verfahren.

Radarmessungen sind weitgehend unabhängig von starkem Wind, Regen, Gaszusammensetzung und Sonneneinstrahlung. Dementsprechend sind Radarmessungen im Vergleich zu Ultraschallgeräten bei ausgasenden Medien, unterschiedlichen Temperaturschichten und starken Luftströmungen zu bevorzugen. Temperaturunterschiede oder Gasschichten können die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle nicht beeinflussen. Stark turbulente Oberflächen sowie ausgeprägte Ansatzbildung oder Kondensat am Sensor stellen für beide Technologien unter Umständen Anwendungsgrenzen dar. Zum Schutz vor Vereisung lassen sich Ultraschallsensoren mit Sensorheizung bestücken und besitzen durch die Schwingung der Membran einen Selbstreinigungseffekt.

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Der neue Micropilot FMR10 und der FMR20 verbessern mit dem innovativen, kostengünstigen Chipdesign die Wirtschaftlichkeit und vereinfachen die Gerätehandhandhabung.

Ebenso kann Schaumbildung in Abwasseranwendungen kritisch sein. So kann die Art des Schaums, dessen Dichte, seine Leitfähigkeit oder der DK-Wert dazu führen, dass das Radar- oder Ultraschallsignal entweder absorbiert oder reflektiert wird. In solchen Fällen empfiehlt sich die Durchführung einer Testmessung, um zu prüfen, ob die beiden Messverfahren prinzipiell geeignet sind.
Zur richtigen Auswahl der Füllstandsmesstechnik steht die objektive Beurteilung von Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosten im Vordergrund. Wird ein Füllstandsmessgerät nur mit dem Ziel, ein modernes Messverfahren einsetzen zu wollen, ausgewählt, verliert der Betreiber unter Umständen den Nutzen, den ein anderes Messprinzip zu einem günstigeren Preis bieten würde.
In der Abwassertechnik werden aufgrund neu entwickelter Bauteile und der damit verbundenen niedrigeren Preise sowie der genannten physikalischen Fakten neben Ultraschallsensoren vermehrt freiabstrahlende Radargeräte eingesetzt.

Einfache Anwendung

Die berührungslos arbeitenden Füllstandsradare FMR10 und FMR20 mit Bluetooth-Technologie sind auf die Anforderungen für Anwendungen in der Wasser- und Abwasserbranche sowie Hilfskreisläufe weiterer Industrien ausgelegt. Die Geräte basieren auf einem neu entwickelten Chipdesign. Ihre Prozesstemperatur liegt bei -40 bis +80 °C in Druckverhältnissen von -1 bis +3 bar. Der maximale Messbereich beträgt beim Modell FMR10 bis zu 8 m und bei FMR20 bis zu 20 m. Sie arbeiten mit einer Genauigkeit von +/- 2 mm und verfügen über die Schutzart IP68/Nema6P.

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Ultraschallsensor mit Heizung und Überflutungsschutzhülse.

Durch den 26 GHz direkt abstrahlenden Chip kann auf Hochfrequenz-Module, Koaxialkabel und Wellenleiter verzichtet werden. Dies führt zu einem kompakten Gerät und ermöglicht damit die Installation in beengten Platzverhältnissen. Die Gerätegröße wird vor allem durch die Länge der verbauten Hornantenne bestimmt. Die Radarsignale werden direkt vom Chip emittiert und von der Antenne empfangen. Ihre Größe kann in Abhängigkeit von Messbereich und Abstrahlcharakteristik in DN40 oder DN80 ausgelegt werden.
Für beide Ausführungen steht eine Auswahl für Prozessanschlüsse und Installationsmöglichkeiten zur Verfügung. Zum Beispiel ermöglicht der rückseitige Prozessanschluss G1-Zoll- sowie der mit G-1½-Zoll-Gewinde versehene frontseitige Prozessanschluss der DN40-Antenne die Wiederverwendung vorhandener Ultraschall-Prozessanschlüsse und Zubehör für Wand-, Decken- und Auslegermontage. Die DN80-Antenne eignet sich für die frontbündige Anbringung mittels Überwurfflansch.

Durch eine Schutzhülse wird eine maximal Füllstandsanzeige auch im Falle der Überflutung möglich. Beispielsweise können in Regenüberlaufbecken Pumpen bei starken Regenereignissen ausgeschaltet werden, indem der Sensor als Maximalstands-Melder dient. Die Hülse wird direkt an den frontseitigen Prozessanschluss montiert und erzeugt bei Überflutung ein Luftpolster.
Das Gehäuse von Micropilot FMR10 und FMR20 ist vollständig aus Polyvinylidenfluorid gefertigt, hermetisch dicht verdrahtet und die Elektronik komplett vergossen. Beide Sensoren sind IP68 spezifiziert, Wassereintritt ist nicht möglich, und sie erlauben somit auch den Einsatz unter widrigen Umgebungsbedingungen. Für den Betrieb werden 10,5 Volt als Versorgungsspannung benötigt, somit lassen sich die Sensoren auch für den Betrieb mit Batterien oder Solarzellen nutzen.

Bedienung, Wartung und Diagnose per App

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Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung des Radarmessgeräts mit Bluetooth App spart Zeit und Kosten.

Die Radargeräte sind, neben der HART-Schnittstelle beim Modell FMR20, via Bluetooth verwendbar und können mit der App „Smart Blue“ in Betrieb genommen und gewartet werden. Die Anwendung unterstützt laut Unternehmen alle gängigen Smartphones und Tablets, die auf iOS oder Android basieren und soll auch auf Ex zugelassenen mobilen Endgeräten verwendet werden können. Da die neuen Geräte für Standardanwendungen im Wasser- und Abwasserbereich konzipiert wurden, reichen die Schritte Voll- und Leerabgleich sowie Ausblendung, um sie zu parametrieren. Im Vergleich zur traditionellen Parametrierung spart das Zeit, reduziert Kosten und beugt Fehlern vor. Es sind keine zusätzlichen Boxen oder Adapter zur Datenübertragung notwendig. Die Bluetooth-Reichweite der Geräte beträgt maximal rund 25 m und ermöglicht so auch Inbetriebnahme und Diagnose in explosionsgefährdeten Bereichen, ohne diese betreten zu müssen.
Um die Messstelle vor unerlaubten Zugriff zu schützen, kann die Bluetooth-Schnittstelle vom Betreiber jederzeit deaktiviert und wieder aktiviert werden. Die vom Fraunhofer-Institut bestätigte verschlüsselte Kommunikation trägt zusammen mit dem Passwortschutz beim Verbindungsaufbau zur Sicherheit bei.