Ein Lagertank ist 35 m hoch und soll mit einem berührungslosen Radar-Füllstandmessumformer überwacht werden. Das ausgewählte Gerät besitzt laut Datenblatt einen Messbereich, der diese Distanz problemlos abdeckt. Trotzdem treten bei niedrigem Füllstand sporadische Messwertsprünge auf. Ist der Radar-Füllstandsensor damit ungeeignet?
Nicht zwangsläufig. Gerade bei hohen Behältern entscheidet nicht nur der maximale Messbereich. Mit zunehmender Entfernung wird der vom Sensor erfasste Bereich auf der Produktoberfläche größer. Gleichzeitig können Behälterwand, Leitern, Rohre, Verstrebungen, Rührwerke oder andere Einbauten zusätzliche Echos erzeugen.
Eine sehr wichtige Größe ist deshalb der Strahlwinkel der Radarantenne. Ein schmaler Radarstrahl erleichtert es, einen freien Messweg durch einen hohen Behälter zu führen. Moderne 80-GHz-Geräte können deutlich enger bündeln als ältere Radarprinzipien mit niedrigeren Frequenzen.
Für hohe Tanks sollte deshalb nicht nur geprüft werden, ob der nominelle Messbereich ausreicht. Antennengröße, Strahlwinkel, Montageposition, Behältereinbauten, Produktoberfläche und verfügbare Echoqualität müssen gemeinsam betrachtet werden.
Wie funktioniert berührungslose Radar-Füllstandmessung?
Ein Radar-Füllstandmessumformer sendet elektromagnetische Signale in Richtung Produktoberfläche. Ein Teil dieser Energie wird dort reflektiert und vom Sensor wieder empfangen.
Aus der Laufzeit des Signals wird die Entfernung zwischen Antenne und Produktoberfläche bestimmt. Vereinfacht gilt:
Entfernung = Behälterhöhe - Füllstand
Da keine Sonde in das Medium eintaucht, ist das Verfahren berührungslos. Es eignet sich deshalb unter anderem für aggressive Flüssigkeiten, hohe Temperaturen, Druckbehälter und Anwendungen, bei denen mechanische Einbauten im Medium vermieden werden sollen.
Entscheidend ist jedoch, dass das Nutzsignal von der Produktoberfläche eindeutig erkannt werden kann.
Warum werden hohe Behälter anspruchsvoller?
Je größer die Entfernung zwischen Radarantenne und Produktoberfläche wird, desto anspruchsvoller wird die geometrische Planung der Messstelle.
Dafür gibt es mehrere Gründe:
- der Radarkegel wird mit zunehmender Entfernung breiter,
- mehr Behältereinbauten können in den Strahlbereich gelangen,
- die reflektierte Energie kann geringer werden,
- schwache Störechos können gegenüber dem Nutzsignal relevanter werden,
- Montagefehler wirken sich über lange Distanzen stärker aus.
Ein Sensor kann deshalb einen nominellen Messbereich von beispielsweise 120 m besitzen und trotzdem schlecht montiert sein. Messbereich und Einbausituation sind zwei unterschiedliche Auswahlkriterien.
Was bedeutet der Strahlwinkel der Radarantenne?
Der Radarstrahl ist kein mathematisch unendlich dünner Strich. Die abgestrahlte Energie verteilt sich innerhalb eines definierten Winkels.
Dieser Strahlwinkel bestimmt, wie breit der relevante Messbereich mit zunehmender Entfernung wird.
Beim Siemens SITRANS LR530 hängt der Strahlwinkel von der Antennen- beziehungsweise Flanschgröße ab. Typische Werte sind:
| LR530-Ausführung | Strahlwinkel | Empfohlener Messbereich |
|---|---|---|
| ab DN25 | ca. 10° |
bis 20 m |
| ab DN50 / 2″ | ca. 6° |
bis 30 m |
| ab DN80 / 3″ | ca. 3° |
bis 120 m |
Gerade bei sehr hohen Behältern ist die größere Antenne damit nicht nur wegen des maximalen Messbereiches interessant. Der kleinere Strahlwinkel erleichtert zusätzlich die geometrische Trennung von Nutz- und Störreflexionen.
Wie groß wird der Radarkegel im Behälter?
Der ungefähre Durchmesser eines idealisiert betrachteten Radarkegels lässt sich aus Messdistanz und Strahlwinkel abschätzen.
Vereinfacht:
Strahldurchmesser ≈ 2 × Entfernung × tan(Strahlwinkel / 2)
Bei einem Strahlwinkel von 3° ergibt sich beispielsweise in 30 m Entfernung ein Durchmesser von ungefähr:
1,57 m
Bei 100 m Entfernung wären es bereits ungefähr:
5,24 m
Diese einfache geometrische Betrachtung ersetzt keine Herstellerauslegung des tatsächlichen Antennenfeldes. Sie verdeutlicht jedoch, warum ein Einbau, der direkt am Sensor problemlos aussieht, am unteren Ende eines sehr hohen Tanks durchaus mehrere Meter breiten Raum beanspruchen kann.
Warum beeinflusst die Antennengröße den Messbereich?
Die Antenne bestimmt wesentlich, wie stark die Radarenergie gebündelt wird. Eine größere wirksame Antenne kann einen engeren Strahl erzeugen.
Beim SITRANS LR530 ist deshalb der maximal empfohlene Messbereich an die Flanschgröße gekoppelt. Eine DN25-Ausführung wird nicht einfach deshalb zu einer 120-m-Lösung, weil die Elektronik grundsätzlich weit messen könnte.
Bei großen Behälterhöhen sollte deshalb bereits bei der Geräteauswahl berücksichtigt werden:
- erforderliche maximale Messdistanz,
- Flanschgröße,
- Strahlwinkel,
- verfügbare Montageöffnung,
- Position der Behältereinbauten.
Eine größere Antenne kann bei einem hohen Tank daher ein messtechnischer Vorteil sein und nicht lediglich eine mechanische Anschlussvariante.
Wo sollte der Radar-Füllstandsensor montiert werden?
Die beste Position ist grundsätzlich dort, wo der Radarstrahl möglichst ungestört auf eine repräsentative Produktoberfläche trifft.
Ungünstig sind insbesondere Positionen direkt über oder unmittelbar neben:
- Einfüllrohren,
- Leitern,
- Rührwerkswellen,
- Heizschlangen,
- Verstrebungen,
- großen Rohrleitungen,
- anderen stark reflektierenden Einbauten.
Die geometrische Planung sollte dabei nicht nur die Situation bei vollem Tank betrachten. Gerade bei niedrigem Füllstand ist der Radarstrahl am breitesten und kann dadurch weiter entfernte Einbauten erfassen.
Warum sollte der Radarstrahl nicht auf die Behälterwand treffen?
Eine metallische Behälterwand reflektiert Radarenergie sehr gut. Trifft ein relevanter Teil des Messstrahls auf die Wand, kann ein zusätzliches starkes Echo entstehen.
Besonders problematisch kann dies bei einem leicht schräg montierten Sensor sein. Schon eine kleine Winkelfehlstellung wirkt sich bei einer großen Messdistanz deutlich aus.
Bei einem sehr hohen Tank kann deshalb eine scheinbar geringe Abweichung der Antennenachse dazu führen, dass der Radarstrahl im unteren Bereich mehrere Meter seitlich versetzt liegt.
Bei der Montage sollten Flansch, Dichtung, Stutzen und mechanische Ausrichtung deshalb so ausgeführt sein, dass die vorgesehene Messrichtung tatsächlich eingehalten wird.
Welche Behältereinbauten erzeugen Störechos?
Grundsätzlich kann jede Oberfläche, die Radarenergie reflektiert, ein Echo erzeugen.
Typische Störreflektoren in Prozessbehältern sind:
- Leitern,
- Rohrleitungen,
- Rührwerkswellen und Rührflügel,
- Heiz- und Kühlschlangen,
- Verstrebungen,
- Füll- und Entleerleitungen,
- Behälterdachkonstruktionen,
- Schweißnähte beziehungsweise große Vorsprünge,
- Stutzen und interne Flansche.
Nicht jedes Einbauteil führt automatisch zu einem Messfehler. Entscheidend ist, wie stark sein Echo im Verhältnis zum tatsächlichen Füllstandecho ist und ob es innerhalb des relevanten Messbereiches liegt.
Einfüllstrom und Produktoberfläche berücksichtigen
Auch die Produktoberfläche selbst ist nicht immer ruhig und horizontal.
Bei laufender Befüllung können auftreten:
- Turbulenzen,
- Wellen,
- Schaum,
- Spritzer,
- wechselnde Oberflächenneigungen.
Ein Radar-Füllstandsensor sollte deshalb möglichst nicht direkt in den Einfüllstrom messen.
Ein seitlich eintretender Produktstrahl kann sowohl die Oberfläche verändern als auch selbst eine zusätzliche Reflexionsfläche darstellen.
Besonders bei hohen Behältern sollte die Montageposition deshalb auch für den tatsächlichen Befüllbetrieb und nicht nur für den statischen Tankzustand bewertet werden.
Was bedeutet Echoqualität beziehungsweise Signalreserve?
Für die zuverlässige Messung muss der Sensor das Echo der Produktoberfläche eindeutig von Rauschen und unerwünschten Reflexionen unterscheiden können.
Vereinfacht kann man von einer Signalreserve sprechen: Wie deutlich hebt sich das relevante Füllstandecho von Störsignalen beziehungsweise Rauschen ab?
Diese Reserve hängt unter anderem ab von:
- Antennengröße,
- Messdistanz,
- Dielektrizitätszahl des Mediums,
- Oberflächenzustand,
- Behältergeometrie,
- Einbauten,
- Ablagerungen auf der Antenne.
Ein zuverlässiges System sollte nicht nur unter idealen Bedingungen gerade noch ein Echo erkennen. Auch Prozessänderungen sollten ausreichend Signalreserve lassen.
Wie funktioniert eine Störechoausblendung?
Feste Behältereinbauten erzeugen häufig Reflexionen an immer derselben Entfernung.
Moderne Radar-Füllstandmessumformer können solche bekannten Reflexionen erfassen und bei der anschließenden Signalauswertung unterdrücken beziehungsweise geringer gewichten.
Der SITRANS LR530 verfügt über eine automatische Störechoausblendung für feste Behältereinbauten.
Das bedeutet jedoch nicht, dass eine beliebig ungünstige Montage dadurch automatisch korrigiert werden kann.
Eine gute mechanische Montage bleibt immer die erste Maßnahme. Die Störechoausblendung ist eine zusätzliche Signalverarbeitungsfunktion und kein Ersatz für einen freien Messweg.
Warum ist das Echoprofil für die Diagnose wichtig?
Ein Echoprofil zeigt die vom Radarsensor empfangenen Reflexionen über die Messdistanz.
Damit kann beispielsweise erkannt werden:
- wo das eigentliche Füllstandecho liegt,
- ob starke feste Störechos vorhanden sind,
- wie sich das Signal bei sinkendem Füllstand verändert,
- ob sich Ablagerungen beziehungsweise Prozessbedingungen verändert haben.
Beim SITRANS LR530 ist eine grafische Echoprofilanzeige Bestandteil der lokalen Bedienoberfläche. Dadurch lässt sich eine problematische Messstelle wesentlich gezielter diagnostizieren als allein anhand eines springenden 4…20-mA-Wertes.
Praxisbeispiel: hoher Tank mit Leiter und Rohrleitung
Ein Lagertank besitzt eine Höhe von 32 m. Im Tank befinden sich eine vertikale Leiter und eine Rohrleitung, die über einen Teil der Behälterhöhe entlang der Wand geführt wird.
Zunächst wird ein Radar-Füllstandsensor mit einer relativ breiten Abstrahlung auf einem vorhandenen Dachstutzen montiert.
Bei hohem Füllstand arbeitet die Messung problemlos, weil die Produktoberfläche nur wenige Meter von der Antenne entfernt liegt.
Mit sinkendem Füllstand wird der Radarstrahl jedoch breiter. Schließlich gelangt die Leiter stärker in den relevanten Strahlbereich.
Der Sensor erkennt nun neben dem schwächer werdenden Produktecho ein deutliches festes Echo der Leiter.
Die Messstelle wird daraufhin neu bewertet. Der Sensor wird auf eine Antennenvariante mit engerem Strahlwinkel ausgelegt und die Montageposition so gewählt, dass der Messkegel möglichst frei an Leiter und Rohrleitung vorbeiführt.
Zusätzlich wird das Echoprofil bei leerem beziehungsweise niedrigem Tank aufgenommen und die feste Reflexion entsprechend berücksichtigt.
Das Beispiel zeigt: Ein Radar kann bei vollem Behälter perfekt arbeiten und erst bei niedrigem Füllstand Probleme zeigen, weil sich der geometrisch erfasste Bereich mit zunehmender Messdistanz vergrößert.
Systematische Auslegung
- Maximale Messdistanz bestimmen: Abstand zwischen Antenne und minimalem Füllstand berücksichtigen.
- Behälterhöhe und Behälterdurchmesser dokumentieren.
- Medium und dessen Reflexionseigenschaften berücksichtigen.
- Geeignete Radarfrequenz und Antenne auswählen.
- Strahlwinkel der konkreten Antenne prüfen.
- Ungefähren Strahlbereich über die gesamte Messdistanz betrachten.
- Leitern, Rohre, Rührwerke und andere Einbauten im Behälterplan eintragen.
- Montageposition mit möglichst freiem Radarweg auswählen.
- Einfüllstrom beziehungsweise stark turbulente Bereiche vermeiden.
- Flansch und Sensorachse mechanisch korrekt ausrichten.
- Nach Inbetriebnahme Echoprofil kontrollieren.
- Störechoausblendung nur gezielt und nach Prüfung der realen Echoverhältnisse einsetzen.
- Messstelle auch bei niedrigem Füllstand bewerten.
Häufige Fehler
- Nur den maximalen Messbereich prüfen: Ein ausreichender Zahlenwert in Metern garantiert noch keine störungsfreie Messgeometrie.
- Strahlwinkel ignorieren: Der Radarkegel wird mit zunehmender Entfernung breiter.
- Nur den Zustand bei vollem Tank betrachten: Behältereinbauten können erst bei niedrigem Füllstand in den Strahlbereich gelangen.
- Sensor direkt auf eine Leiter oder Rohrleitung ausrichten: Dadurch entstehen starke feste Störechos.
- Einfüllstrom direkt unter der Antenne akzeptieren: Bewegte Flüssigkeit, Spritzer oder Schaum können die Echoauswertung erschweren.
- Kleine Winkelfehler bei hohen Tanks unterschätzen: Über große Distanzen entsteht daraus ein erheblicher seitlicher Versatz.
- Störechoausblendung als Ersatz für schlechte Montage verwenden: Signalverarbeitung sollte eine sinnvolle Geometrie ergänzen, nicht ersetzen.
- Antennengröße nur nach Flanschverfügbarkeit wählen: Sie beeinflusst auch Strahlwinkel und empfohlenen Messbereich.
- Echoprofil nicht kontrollieren: Dadurch bleiben problematische Reflexionen bei der Inbetriebnahme unentdeckt.
SITRANS LR530 für hohe Prozess- und Lagertanks
Ein konkreter 80-GHz-Radar-Füllstandmessumformer für Flüssigkeiten und Schlämme ist der Siemens SITRANS LR530.
Das Gerät besitzt eine gekapselte PTFE-Antenne mit Flanschanschluss. Abhängig von der Flanschgröße reicht der empfohlene Messbereich von 20 m bis maximal 120 m.
Für sehr große Distanzen ist insbesondere die Ausführung ab DN80 beziehungsweise 3″ interessant. Hier beträgt der Strahlwinkel etwa 3° und der empfohlene Messbereich bis zu 120 m.
Die 80-GHz-Technologie ermöglicht einen schmal gebündelten Radarstrahl und reduziert damit die Empfindlichkeit gegenüber Behältereinbauten.
Zur Diagnose stehen unter anderem:
- grafische Echoprofilanzeige,
- automatische Störechoausblendung,
- Nahbereichsausblendung,
- Process-Intelligence-Signalverarbeitung,
- NE107-Diagnosefunktionen
zur Verfügung.
Passende Informationen finden Sie beim Siemens SITRANS LR530 sowie unter Füllstandmesstechnik bei ICS Schneider.
Fazit
Bei einer Radar-Füllstandmessung in einem hohen Behälter reicht es nicht aus, lediglich einen Sensor mit ausreichend großem nominellem Messbereich auszuwählen.
Mit zunehmender Messdistanz wird der relevante Radarbereich größer. Dadurch können Behälterwand, Leitern, Rohrleitungen, Rührwerke und andere Einbauten stärker in die Echoauswertung eingreifen.
Ein enger Strahlwinkel ist deshalb bei großen Behälterhöhen besonders hilfreich. Moderne 80-GHz-Radarsensoren können die Messenergie sehr stark bündeln und dadurch auch in komplexeren Behältern einen weitgehend freien Messweg ermöglichen.
Antennengröße, Messbereich und Strahlwinkel gehören dabei zusammen. Beim SITRANS LR530 reicht der empfohlene Messbereich abhängig von der Flanschgröße von 20 bis 120 m, während der Strahlwinkel von etwa 10° auf bis zu 3° sinkt.
Auch moderne Signalverarbeitung ersetzt jedoch keine gute Montage. Automatische Störechoausblendung und Echoprofilanalyse sind wertvolle Diagnosewerkzeuge, sollten aber auf einer sinnvoll geplanten Messgeometrie aufbauen.
Für hohe Behälter gilt deshalb: maximale Messdistanz und Radarkegel gemeinsam betrachten, Behältereinbauten über die gesamte Höhe berücksichtigen, die Antenne sauber ausrichten und die Echoqualität insbesondere bei niedrigem Füllstand kontrollieren.
FAQ: Radar-Füllstandmessung in hohen Behältern
Welches Radar eignet sich für sehr hohe Tanks?
Für große Messdistanzen sind Radarsensoren mit ausreichendem Messbereich und engem Strahlwinkel sinnvoll. Ein Beispiel ist der Siemens SITRANS LR530, der abhängig von der Antennengröße Messbereiche bis 120 m ermöglicht.
Warum ist der Strahlwinkel bei hohen Behältern wichtig?
Der Radarkegel wird mit zunehmender Entfernung breiter. Ein kleiner Strahlwinkel reduziert deshalb die Wahrscheinlichkeit, dass Behälterwand oder Einbauten in den relevanten Messbereich gelangen.
Welchen Strahlwinkel hat der SITRANS LR530?
Abhängig von der Flanschgröße beträgt der Strahlwinkel ungefähr 10°, 6° beziehungsweise 3°.
Kann der SITRANS LR530 immer 120 m messen?
Nein. Der empfohlene maximale Messbereich hängt von der Flansch- beziehungsweise Antennengröße ab. DN25 ist beispielsweise bis 20 m vorgesehen, DN50 beziehungsweise 2″ bis 30 m und ab DN80 beziehungsweise 3″ bis 120 m.
Warum funktioniert ein Radar bei vollem Tank, aber nicht bei leerem Tank?
Bei niedrigem Füllstand ist die Messdistanz größer und damit auch der vom Radar erfasste Bereich breiter. Dadurch können zusätzliche Behältereinbauten oder schwächere Echoverhältnisse relevant werden.
Welche Behältereinbauten können Radar stören?
Typische Beispiele sind Leitern, Rohrleitungen, Rührwerkswellen, Heizschlangen, Verstrebungen und andere metallische Strukturen.
Was ist eine Störechoausblendung?
Dabei erkennt beziehungsweise speichert der Messumformer feste Reflexionen von bekannten Behältereinbauten und berücksichtigt sie bei der anschließenden Auswertung entsprechend.
Kann eine Störechoausblendung eine schlechte Montage vollständig korrigieren?
Nein. Ein möglichst freier Radarweg und eine gute Montagegeometrie bleiben die wichtigste Grundlage einer zuverlässigen Messung.
Warum ist das Echoprofil hilfreich?
Es zeigt die empfangenen Reflexionen über die Entfernung. Dadurch lassen sich Füllstandecho und feste Störechos wesentlich besser voneinander unterscheiden und diagnostizieren.
Spielt die Antennengröße nur für den Prozessanschluss eine Rolle?
Nein. Die Antennengröße beeinflusst auch Strahlwinkel und empfohlenen maximalen Messbereich.
Warum sollte der Sensor nicht direkt über dem Einlauf montiert werden?
Einlaufendes Medium kann Turbulenzen, Spritzer, Schaum und zusätzliche Reflexionen erzeugen und damit die Echoauswertung erschweren.
Welches konkrete Gerät eignet sich für hohe Flüssigkeitstanks?
Ein Beispiel ist der Siemens SITRANS LR530 mit 80-GHz-Radartechnologie, gekapselter PTFE-Antenne und Flanschanschluss. Ab DN80 beziehungsweise 3″ ist ein empfohlener Messbereich bis 120 m bei einem Strahlwinkel von ungefähr 3° möglich.