Auf und ab

Tim Chettle

Schon Archimedes erkannte, dass die Auftriebskräfte eines in eine Flüssigkeit eingetauchten Körpers proportional dem Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeit sind. Genau nach diesem einfachen Prinzip arbeiten Füllstandmessgeräte nach dem Verdrängerprinzip. Vor allem in der Petrochemie haben sie über viele Jahre ihre hohe Zuverlässigkeit in vielfältigen Installationen bewiesen. Die Methode ist einfach, zuverlässig, genau und kann an vielfältige spezifische Einbausituationen angepasst werden. Vor allem die Möglichkeit der Trennschichtmessung zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten ist in diesem Zusammenhang erwähnenswert. Wichtig vor allem für den Einsatz im Bereich der Petrochemie ist, dass die Messgeräte auch in Druck- und Temperaturbereichen zum Einsatz kommen können, wo andere Messsysteme versagen. Ein eindruckvolles Beispiel hierfür ist der beschriebene Einsatz auf einer Shell-Ölplattform in der Nordsee.

Füllstandtransmitter nach dem Verdrängerprinzip arbeiten typischerweise nach zwei unterschiedlichen Verfahren: zum einen nach dem Federprinzip, zum anderen nach dem Torsionsrohrprinzip. Beide Verfahren bedienen sich eines zylindrischen Verdrängerelementes, dessen Länge und Gewicht auf den jeweils zu messenden Füllstandsbereich und die in der Flüssigkeit vorliegende Dichte abgestimmt sind. Bei beiden Systemen ist die maximale Änderung des effektiven Gewichts des Verdrängers proportional dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit, wenn der zylindrische Körper komplett in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Dabei ist es wichtig, den Einfluss des über der Flüssigkeit liegenden Mediums zu beachten, auch wenn dies eine Dampfphase ist, vor allem natürlich, wenn beispielsweise der Behälter, in dem gemessen wird, unter erhöhtem Druck steht.

Geräte nach dem Torsionsrohrprinzip arbeiten bei regelmäßiger Wartung gut und liefern zuverlässige Messwerte. Entsprechend sind sie in allen Industrien akzeptiert und im Einsatz. Sie eignen sich für den Einsatz im Bereich sehr hoher Drücke bis 170 bar und für Prozesstemperaturen zwischen -200 bis mehr als 450 °C. Allerdings sind die Geräte recht groß und schwer und ihre Installation entsprechend aufwändig. Zudem erfordert die Aufhängung des Verdrängerkörpers regelmäßige Wartung und Pflege, um dauerhaft zuverlässige Messwerte zu liefern. Da die korrekte Verschweißung zwischen Flansch und Torsionsrohr entscheidend für die Funktionstüchtigkeit der Messmethode ist, sind Inspektionen bezüglich Materialermüdung oder Korrosion unbedingt erforderlich.

Die elegantere Methode des Federprinzips lässt die beim Torsionsrohr beschriebenen Schwierigkeiten hinter sich. Bei gleicher Zuverlässigkeit sind die Geräte deutlich kleiner, leichter, dafür aber robuster. Beim Federprinzip wird die Gewichtsänderung des Verdrängerkörpers direkt über eine über dem Verdränger angebrachte Feder übertragen. Hebt oder senkt sich der Verdränger mit steigendem oder fallendem Füllstand, so wird die Feder entweder entspannt oder gespannt:

Die Feder überträgt die Niveauänderung linear auf einen im Druckrohr des Kopfes befindlichen Magnetkern. Außerhalb des Druckrohres – komplett isoliert von Prozessparametern oder Dämpfen – befindet sich ein linear variabler Differentialtransformator (LVDT), dessen Ausgangssignal proportional zur Kernposition ist.

Das Federmaterial besteht aus einer speziell ausgewählten hochbelastbaren Legierung, der Federdraht hat einen Durchmesser von 3 bis 4 mm. Die Feder wird dabei jeweils so ausgelegt, dass sie bei ca. 10 % der Streckspannung arbeitet, um auf diese Weise eine größtmögliche Genauigkeit bei der Erfassung der sich ändernden Kräfte sicherzustellen, ohne dabei Gefahr zu laufen, sich zu überdehnen. Ein mechanischer Überlastungsschutz verhindert zusätzlich eine Überdehnung der Feder.

Als Federmaterial hat sich die Nickellegierung Nimonic etabliert, die der Feder eine perfekt lineare Dehnung über den gesamten Arbeitstemperaturbereich des Gerätes erlaubt und so sehr genaue Füllstandsmessungen ermöglicht.

Wesentliche Vorteile des Federprinzips liegen vor allem in der geringeren Baugröße der Transmitter. Neben Gewicht und Größe ist es aber auch leichter zu installieren und hat keine kritischen Schweißnähte unter Belastung. Ihr Einsatzbereich liegt bei Drücken bis zu 250 bar, der Temperaturbereich liegt zwischen -260 und +300 °C.

Für welches Messverfahren man sich beim Verdrängerprinzip auch entscheidet, Größe und Gewicht des Verdrängers sind entscheidend, da hiermit das Verhältnis von Gewichtsänderung und Füllstandshöhe festgelegt wird. Der optimale Durchmesser des Verdrängers für die jeweilige Applikation wird durch die Dichte der zu messenden Flüssigkeit, die Prozessbedingungen (Temperatur, Druck etc.) und die Messspanne bestimmt. Es ist für die Hersteller entscheidend, alle notwendigen Daten zu kennen, um die Geräte für den jeweiligen Anwendungsfall optimal auslegen zu können und so zu kalibrieren, dass sie die gewünschten Messbereiche unter den gegebenen Prozessbedingungen genau erfassen können. Leistungsfähige Mikroprozessortechnologie und Kommunikationsschnittstellen sowie Software ermöglichen es dem Anwender aber heute, eventuell notwendige Feinabstimmungen, Re-Kalibrationen oder auch die Einstellung anderer Messbereiche einfach und vor Ort vorzunehmen.

Ein schönes Beispiel für Leistungsfähigkeit moderner Füllstandtransmitter nach dem Verdrängerprinzip ist der Einsatz auf der Shell-Bohrinsel Alpha im Brent Öl- und Gasfeld in der Nordsee. Bevor das Gas weitergeleitet wird, wird es auf der Bohrinsel in einem speziellen Verfahren, einem so genannten Compession Train, getrocknet und komprimiert. In den entsprechenden Behältern muss sowohl der Füllstand der auskondensierenden Kohlenwasserstoffe, als auch der Stand des Trocknungsmittels kontinuierlich überwacht werden, da Pumpensteuerung und Sicherheitseinrichtungen direkt an die Füllstandsmessung gekoppelt sind. Der Trocknungsvorgang dient dabei dem Schutz des nachgeschalteten Kompressors.

Füllstandsmessungen von Mehrphasensystemen bei Drücken um 145 bar sind nicht ganz unproblematisch. Diese Erfahrung musste auch Peter Keay, Senior Instrument Engineer auf der Shell-Bohrplattform, machen. Anfangs eingesetzte Radargeräte funktionierten leider nicht wie erhofft, unvorhergesehene Produktionsausfälle mit Verlusten im Bereich von 1 Mio. GBP pro Tag waren die Folge. Die insgesamt sechs innerhalb von zwei Tagen gefertigten, per Helikopter inklusive Servicepersonal eingeflogenen und vor Ort eingebauten Transmitter MLT 100 der Firma Solartron Mobrey kontrollieren nun das Niveau des Trocknungsmittels und des in einer darüber liegenden Schicht abgeschiedenen Kohlenwasserstoffkondensates. Seit der Erstinstallation vor zwei Jahren arbeiten die Geräte störungsfrei und zur vollsten Zufriedenheit von Shell.

cav 441

www.mobrey.de

Der MLT 100 verbindet das Auftriebsprinzip mit modernster Elektronik. Der Verdrängerkörper hängt an einer stabilen Feder, die die Änderungen des Füllstandes in den Transmitter überträgt. Auf diese Weise können nicht nur Füllstände und Tankinhalte zuverlässig gemessen werden, sondern auch Trennschichten mit einer Dichtedifferenz von bis nur 0,1.

Messungen sind im Temperaturbereich von -60 bis +320 °C bei Drücken zwischen Vakuum und 200 bar möglich. Das Zweileiter-Gerät (24 V (DC)) liefert ein 4…20 mA-Ausgangssignal, ist Hart-fähig und verfügt über eine Atex-Zulassung. Der Einbau kann direkt im Tank oder auch in Kammern erfolgen, die von Solartron Mobrey nach Kundenspezifikation aus speziell für die jeweilige Anwendung geeigneten Werkstoffen hergestellt werden. Auf Wunsch können medienberührte Teile aus Hastelloy, Inconel oder anderen Sonderwerkstoffen gefertigt werden.