Time-of-Flight (ToF) ist eines der Messprinzipien, die für Füllstände verwendet werden. Dieser Artikel erläutert den Arbeitsprinzip der Time-of-Flight-Sensoren und diskutiert die verschiedenen Typen dieser Geräte, die üblicherweise zur Füllstandmessung in Tanks verwendet werden. Verpassen Sie unseren Artikel über kontaktlose Sender nicht.

Funktionsprinzip von Time-of-Flight-Sensoren

Time-of-Flight (ToF) bezieht sich auf die Zeit, die akustische oder elektromagnetische Wellen benötigen, um durch ein Medium von Punkt A nach Punkt B zu reisen und zurückzukehren. Time-of-Flight-Sensoren messen diese Zeit und bestimmen damit den Abstand des die Wellen reflektierenden Objekts, mit dem das Niveau gemessen werden kann, wenn sich der Time-of-Flight-Sensor auf einem Behälter befindet und auf den Inhalt gerichtet ist. Wenn Sie jemals ein Discovery Channel-Programm gesehen haben, das darüber sprach, wie Fledermäuse und Wale ihre Beute lokalisieren, dann haben Sie gehört, wie sie Ultraschallwellen zur Echolotung einsetzen. Technisch gesehen verwenden diese Tiere auch eine Art Time-of-Flight-Sensor.

Echoortung als Time-of-Flight
Mit freundlicher Genehmigung von Arduino-Info

Wenn Sie noch nie eine solche Show gesehen haben, dann ist hier das Wesentliche: Um ihre Beute zu lokalisieren, senden Fledermäuse und Wale hohe Ultraschallwellen aus, die für Menschen unhörbar sind. Diese Wellen prallen von der Beute ab und reisen zurück zur Fledermaus, wobei sie der Fledermaus die Größe und Position der Beute und sogar die Richtung, in die sie sich bewegt, mitteilen.

Wie Fledermäuse und Wale, so verwenden auch die Time-of-Flight-Sensoren elektromagnetische oder mechanische Wellen anstelle von Ultraschall und eine Software zur Berechnung der Eigenschaften des Objekts, von dem die Wellen abprallen.

Nun, da wir wissen, wie die Time-of-Flight-Funktion funktioniert, lassen Sie uns zu den Geräten übergehen, die sie verwenden.

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Typen von Time-of-Flight-Sensoren

Berührungslose oder Freiraumradar-Füllstandsmessumformer

Einige Hersteller nennen sie berührungslose Radar-Füllstandsmessumformer, andere nennen sie Freiraum-Radarsender, aber sie sind alle derselbe Gerätetyp. Diese kommen normalerweise auf die Oberseite des Tanks, zeigen nach unten, und die Wellen fliegen frei durch den Tank, ohne geführten Weg. Sie verwenden verschiedene Frequenzen und verschiedene Antennen, von denen beide Ihren Strahlwinkel verändern und sich ausbreiten.

Frequenzbereiche

Verschiedene Time-of-Flight-Geräte verwenden verschiedene Frequenzen. So unterscheiden sich z.B. die Frequenzbereiche der Radarpistole von Land zu Land. Die ersten Radarpistolen verwendeten einen Frequenzbereich von 8 bis 12 Gigahertz (GHz), das so genannte X-Band. Die neue Generation von Radarpistolen verwendet das K-Band (18 bis 27 GHz), und Sie können Radar-Füllstand-Transmitter mit K-Band (27 bis 40 GHz) finden.

Die meisten Industrieradare arbeiten in einer von vier Frequenzen: C-Band (6 GHz), K-Band (26 GHz), X-Band (10 GHz) und ein paar auf W-Band (75-85 GHz).

Wenn es um W-Band geht, führen die Verkäufer einen Kampf. Anbieter, die Radar-Transmitter mit W-Bereich anbieten, versprechen Ihnen das Blaue vom Himmel. Und Firmen, die es nicht tun, begraben Sie unter Tonnen technischer Informationen darüber, warum Sie sich für die anderen Bereiche entscheiden müssen. Wir gehen dieses Thema später durch.

Abstrahlwinkel und Ausbreitung

Ihr Abstrahlwinkel und Ihre Ausbreitung hängen von der Antenne und der Frequenz Ihres Senders ab. Niederfrequenz-Radar mit Standardantennen haben Abstrahlwinkel um 20 Grad. Der SITRANS LR200 arbeitet beispielsweise mit 6 GHz. Eine 4-Zoll-Antenne erzeugt einen Abstrahlwinkel von 29 Grad und eine 8-Zoll-Antenne hat einen Abstrahlwinkel von 17 Grad.

Abstrahlwinkel Time-of-Flight
Mit freundlicher Genehmigung von Endress+Hauser

Sie sehen also, dass höhere Frequenzen geringere Abstrahlwinkel mit kleinen Antennen erreichen können. So arbeitet der VEGAPULS 62 beispielsweise mit 26 GHz, so dass Sie einen Abstrahlwinkel zwischen 8 und 22 Grad haben können. Mit niederfrequenten Radars können Sie kleine Winkel erhalten, aber dann benötigen Sie größere Antennen, manchmal zu groß für gängige Prozesse.

Aber warum kleine Winkel? Damit das Radar in niedrigen Tanks oder Tanks mit Störungen oder sogar in der Nähe der Tankwand messen kann. VEGA hat eine hervorragende Werbung, die ein Gerät zeigt, das den Füllstand einer Wasserflasche misst. Wir würden es gerne replizieren, also VEGA, schickt uns bitte eine Demo!

Endress+Hauser bietet auch High-Gigahertz-Technologie an.

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Geführte Wellenradargeräte

Geführte Wellenradare ähneln Freiraumradaren, da sie das Time-of-Flight-Prinzip anwenden und besondere Frequenzen aufweisen. Aber ein geführtes Wellenradar hat eine Sonde, die die Welle leitet, die vom Radar erzeugt wird. Also, wann benutzt man was?

Wenn die berührungslose Technologie zu Ihrem Prozess passt, sollten Sie diesen Weg in Betracht ziehen. Prozessbedingungen wie hohe Turbulenzen oder niedrige Dielektrizitätskonstanten können jedoch von geführten Wellenradaren profitieren oder diese sogar erfordern.

Geführte Wellenradargeräte gehen an die Oberseite des Tanks, und ihre Sonden erstrecken sich in den Tank, um Kontakt mit dem Produkt im Inneren herzustellen. Das Radar sendet ein Mikrowellensignal über die Sonde an die Füllgutoberfläche. Wenn die Mikrowelle auf die Oberfläche trifft, prallt das Signal zurück zum Gerät. Dann kann der Sender diesen Abstand mit dieser Formel berechnen:

Abstand = (Lichtgeschwindigkeit x Zeitverzögerung)/2

Und wie kann das Radar die Füllhöhe mit der Entfernung berechnen? Simpel. Sie richten den Sender mit den minimalen und maximalen Höhen Ihrer Anwendung ein. Dann kann das Radar auch den Füllstand berechnen.

Auswahl einer Sonde für ein gelenktes Wellenradar

Sie müssen eine geeignete Sonde für Ihr Leitwellenradar auswählen. Einige Sonden haben spezifische Eigenschaften, die das geführte Wellenradar einschränken können, wie z.B. Montagebeschränkungen oder Länge. Apropos Montage, Sie müssen auch darauf achten, dass die Sonde kein Metall berührt, einschließlich der Tankwand. Und wenn Sie große Turbulenzen haben, müssen Sie den Sensor ankern.

Es gibt drei Hauptsondentypen bei geführten Wellenradaren – Einzelelement, Doppelelement und koaxial. Was wird besser für Sie funktionieren? Die Hersteller stellen in der Regel Diagramme oder Tabellen zur Verfügung, die Ihnen helfen, die richtige Sonde für Ihre Anwendung auszuwählen, aber wir geben Ihnen einen schnellen Überblick.

Koaxialsonden decken ein breites Anwendungsspektrum ab, einschließlich solcher mit Dielektrizitätskonstanten  in ihren Produkten. Twin-Elemente-Sonden sind eine gute Wahl für lange Messbereich, und Sie können entweder eine flexible oder starre bekommen. In viskosen oder klebrigen Produkten sollten Sie sich wahrscheinlich für eine Einzelelementsonde entscheiden.

Trennschichtmessung

Wenn Sie die Grenzfläche von zwei Produkten, wie Öl und Wasser, messen müssen, können Sie ein leitfähiges Wellenradar verwenden. Damit diese Anwendung funktioniert, benötigen Sie natürlich Produkte mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten.

Wenn das Radarsignal die Oberfläche mit der niedrigeren Dielektrizitätszahl erreicht, kehrt ein Teil des Signals zum Sender zurück. Wenn das Signal das Produkt mit der höheren Dielektrizitätskonstante erreicht, kehrt mehr von dem Signal zurück. Wenn Sie diese Bedingungen ordnungsgemäß einrichten, können Sie die Höhe der einzelnen Produkte berechnen.

Ultraschall-Füllstandtransmitter

Ultraschall-Füllstandtransmitter verwenden auch einen Time-of-Flight-Sensor, nur mit einer anderen Signalart. Wo Radare elektromechanische Wellen verwenden, verwendet die Ultraschalltechnik mechanische Wellen, die sich mit Schallgeschwindigkeit bewegen, um den Abstand zwischen der Produktoberfläche und dem Sensor zu ermitteln.

Wie das Radar verwendet auch der Ultraschall den Abstand zwischen Sensor und Füllgutoberfläche, um den Füllstand zu berechnen. Die beiden Wellen bewegen sich jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Für Ultraschallsensoren verwenden Sie folgende Formel:

Abstand = (Schallgeschwindigkeit x Zeitverzögerung)/2

Der Sender benötigt auch die Entfernung zum Boden Ihres Tanks. Dann kann er die Tankhöhe minus den Abstand von der Produktoberfläche berechnen. Und denken Sie an das tote Band! Alle Sender verfügen über einen kurzen, nicht messbaren Bereich vom Sensor bis zum Medium. Daher müssen Sie Ihren Messbereich nach diesem toten Band ausrichten.

Ultraschall, wie alles andere, hat Vor- und Nachteile. Ein Vorteil ist definitiv die einfache Einrichtung. Darüber hinaus funktioniert es in Anwendungen mit Dichte-, Dielektrikums- oder Viskositätsänderungen.

Andererseits können Turbulenzen, Schaum und Dampf Probleme verursachen. Und wenn Sie Gegenstände wie Rührwerke in Ihrem Tank haben, können sie stören. Und wenn Sie ein Vakuum haben, dann funktionieren sie auch nicht.

Lassen Sie uns über Andwendungsfälle reden. Wir alle kennen die Füllstandmessung, aber wussten Sie, dass ein Ultraschalltransmitter auch Strom messen kann? Wenn Sie es mit einer Parshall-Rinne kombinieren, können Sie den Volumenstrom durch die Differenz der Füllstände finden. Cool, nicht wahr? Wir können darüber in einem anderen Artikel mehr darüber reden, wenn Sie Interesse haben.

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Laser-Füllstandsmessumformer

Ja, lassen Sie uns über Laser reden! Wir spielen gern mit Lasern, oder? Für Füllstandmessung bin ich aber kein großer Fan von Lasern. Wenn Sie sie mögen, dann sagen Sie mir in den Kommentaren, warum. Ich benutzte Laser nur, um den Abstand zwischen einem installierten Radar und der Produktoberfläche zu finden, um zu beweisen, dass das Radar richtig funktionierte.

Laser-Füllstandstransmitters funktionieren ähnlich wie Ultraschallsender, aber Laser arbeiten mit Lichtgeschwindigkeit statt mit Schall. Ein Laser stellt eine ziemlich einfache Lösung dar und Sie können ihn verwenden, um Flüssigkeiten oder Feststoffe zu messen.

Im Gegensatz zu den berührungslosen Radargeräten beeinflusst die dielektrische Konstante Ihres Produktes die Lasermessung nicht. Laser haben auch nicht die Probleme mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Dampf wie Ultraschallsender. Wenn Sie jedoch feine Partikel in der Atmosphäre Ihres Tanks haben, eignen sich Lasergeräte nicht. Die Partikel stören Ihr Signal und damit Ihre Messwerte.

Sie können sich wahrscheinlich Tausende von Anwendungen für Laser im täglichen Leben vorstellen, aber wenn es um die Prozessautomatisierung geht, bleiben sie meistens bei der Füllstandsmessung. Wenn Sie mit Ihren Lasern etwas anderes machen, lassen Sie es uns in den Kommentaren wissen! Ich würde gerne von einem neuen Ansatz für Laser in der Instrumentierung hören.

Schlussfolgerung

Time-of-Flight-Sensoren sind eine weit verbreitete und zuverlässige Methode der Füllstandsmessung. Viele Menschen kennen die Technologie jedoch immer noch nicht genau und können bei der Einrichtung auf Probleme stoßen.

Um mehr über Produkte dieser Art zu erfahren, wenden Sie sich an unsere Ingenieure!

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