Setups und Einsatzmöglichkeiten von Radarsensoren

Selbst unter widrigsten Bedingungen liefern industrielle Radarsensoren von Pepperl+Fuchs zuverlässige Messergebnisse. Ganz gleich ob Regen, Nebel, Wind oder Staub – das Wirkprinzip der elektromagnetischen Welle ist robust gegenüber herausfordernden Umgebungsbedingungen und extrem temperaturstabil. Zusätzlich verfügt das verwendete VariKont-L2-Gehäuse über Schutzart IP68/69. Durch diese Kombination aus störungsarmem Wirkprinzip und besonders robust ausgelegter Sensorik kann mit nur einem Gerätetyp bei entsprechender Einstellung eine Vielzahl von Anwendungsfällen abgedeckt werden. Hierfür stehen drei verschiedene Messbetriebsarten zur Verfügung:

1. Erstes Objekt: Materialunabhängige Erkennung des Objekts, das dem Radarsensor am nächsten ist

2. Beste Reflexion: Erkennung des Objekts mit den besten Reflexionseigenschaften, selbst durch Störobjekte hindurch

3. Schnellstes Objekt: Erkennung des sich am schnellsten auf den Radarsensor zu- oder von ihm wegbewegenden Objekts

Beispiel: Kollisionsvermeidung und Begrenzung der Maximalgeschwindigkeit von Gabelstaplern

Durch die große Reichweite der industriellen Radarsensoren lassen sich zuverlässig verschiedene Bereiche rund um Gabelstapler absichern. Der Einsatz mehrerer Radarsensoren an einem Fahrzeug ist dabei problemlos möglich, da sich die Geräte aufgrund der verwendeten Frequenzmodulation gegenseitig nicht beeinflussen – ohne dass hierfür ein manuell initiierter Synchronisationsvorgang nötig ist. Um eine optimale Absicherung der zu überwachenden Bereiche zu erreichen, empfiehlt es sich, die Messbetriebsart „erstes Objekt“ zu verwenden. In dieser Betriebsart wird materialunabhängig das Objekt erkannt, das sich am nächsten zum Sensor befindet. Abhängig von der Fahrt- und damit verbundenen Reaktionsgeschwindigkeit ist ebenfalls eine hohe Abtastrate erforderlich. Diese kann über Parameter bis maximal 200 Hz eingestellt werden.

Ergänzend hierzu kann mit Radarsensoren auch effektiv eine Höchstgeschwindigkeitsreduktion für Gabelstapler realisiert werden: Ist hohe Geschwindigkeit in Außenbereichen noch von Vorteil und die Umgebung meist gut einsehbar, so ist in Fabrik- und Lagerhallen aus Sicherheitsgründen jedoch eine gewisse Beschränkung nötig. Über einen vertikal ausgerichteten Radarsensor, der die Hallendecke bzw. metallene Querverstrebungen unterhalb dieser detektiert, kann sofort festgestellt werden, wenn der Stapler einen Innenbereich erreicht hat. Ist dies der Fall, wird die mögliche Höchstgeschwindigkeit automatisch auf ein tolerables Maß begrenzt und erst bei Ausfahrt aus der Halle wieder freigegeben. Als Messbetriebsart empfiehlt sich hier entweder „erstes Objekt“ oder „stärkste Reflexion“. Um eine ungewollte Geschwindigkeitsreduktion unter Traversen oder Brücken im Freifeld zu vermeiden, können eine hohe Filterstärke sowie eine geringe Abtastrate eingestellt werden.

Materialien ohne hohe elektrische Leitfähigkeit reflektieren und übertragen elektromagnetische Wellen. Reflexionen treten hier bei jedem Übergang (sogenannter Materialsprung) auf, in den häufigsten Fällen ist dies der Übergang von Luft zu Material und Material zu Luft. Im Inneren des Materials kommt es zu Absorptionsverlusten der Radarwellen. Halten sich diese Absorptionsverluste eher gering, wie es bei einigen Kunststoffen der Fall ist, transmittiert die elektromagnetische Welle ohne hohe Verluste durch das Material hindurch und tritt auf der anderen Seite wieder aus.

Beispiel: Durchdringung von Tankaußenhaut

Diese Durchdringungsfähigkeit der Radarwelle durch verschiedene Materialien kann in einigen Anwendungen vorteilhaft genutzt werden. Einerseits lässt sich hierdurch ein optisch ansprechendes Maschinen-Design realisieren, indem Sensoren für das Auge verborgen und vor äußeren Einflüssen geschützt hinter einer Kunststoffplatte versteckt werden können. Andererseits kann diese Eigenschaft verwendet werden, um etwa den Füllstand in geschlossenen Behältern zu messen, ohne dass dabei ein Loch in die Außenwandung gebohrt oder geschnitten werden müsste. Grundvoraussetzungen sind hierbei, dass das gemessene Medium eine hohe Reflektivität aufweist und die Materialeigenschaften des Tanks bzw. der Stelle, an welcher der Sensor hindurch misst, eine gute Transmission der Radarwelle zulassen.

Gemessen werden sollte hier in der Betriebsart „stärkste Reflexion“. Aufgrund des mehrfachen Übergangs von Luft zu Material und zurück kann es durch die Verluste (Materialdämpfung) auch zu geringfügigen Messwertänderungen kommen, welche in der Anwendung bei gleichbleibenden Materialeigenschaften jedoch konstant bleiben. Ist der Füllstand im Erfassungsbereich des Sensors begrenzt, sollte die minimale Distanz zur Oberfläche des Mediums durch eine Vordergrundausblendung und die maximale Distanz des Sensors zum Boden durch eine Hintergrundausblendung unterdrückt werden.

Winkelreflektoren bestehen aus drei miteinander verbundenen gleichschenkligen Metalldreiecken. Durch ihre hohe Reflexionsfähigkeit, auch bei Winkelabweichungen zum Sensor, werden sie häufig als Referenz-Targets für die optimale Reichweitenbestimmung verwendet. Wird ein Winkelreflektor an einem schwach reflektiven oder nicht ideal zum Radarsensor ausgerichteten Objekt angebracht, vergrößert sich dessen Reflexionsfläche deutlich. So lassen sich Messungen auf das gewünschte Zielobjekt einfach stabilisieren und verschiedene Anwendungen damit bei Bedarf optimieren.

Beispiel: Abstandsmessung im Kranarm

Eine beispielhafte Anwendung für den effektiven Einsatz von Winkelreflektoren stellt die wirkungsvolle Unterstützung bei der präzisen Steuerung von Mobilkranauslegern dar. Die Radarkeule eines innerhalb des Hauptarms montierten Radarsensors wird dabei auf einen in der Spitze des hydraulischen Teleskopglieds positionierten Winkelreflektor gerichtet. Bewegt sich das Teleskopglied beim Aus- oder Einfahren des Auslegers vor- oder rückwärts, misst der Sensor diese Distanzveränderung und übergibt die Werte als Basis für weitere Stellvorgänge an die Steuerung des Krans. Da hier Schmutzablagerungen und Rückstände von Hydraulikölen die Messungen erschweren, wird in der Messbetriebsart „stärkste Reflexion“ auf den Winkelreflektor als definiertes Zielobjekt gemessen, da dieser jederzeit eine konstante und stabile Reflexionsamplitude liefert.

Wichtig ist hierbei jedoch, auch weitere Reflexionen im Erfassungsbereich des Sensors zu kontrollieren. Dies kann über die Aufnahme von bis zu zehn Reflexionen in einem Messzyklus (Distanzwerte mit Reflexionsamplitude) durch die „Reflections Array List“ ausgewertet werden. Hierbei ist die Zielausrichtung des Sensors zum Referenz-Target entscheidend, um über die eingestellte Betriebsart ein stabiles Signal zu erhalten. Optimalerweise wird hierbei auch die Vordergrundausblendung auf den minimalen Abstand des Sensors zum Reflektor gewählt, um fehlerhafte Reflexionen zu vermeiden.