Hochtemperatur-Radar-Sensoren für die Füllstandmessung

Für Temperaturen bis 400 °C

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Bei einem Prozeßdruck von 150 bar und Temperaturen über 400 °C wird es schwierig, ein geeignetes Füllstandmeßsystem zu finden. Gemeinsam mit einem großen amerikanischen Unternehmen der Petrochemie und Mineralölindustrie entwickelte VEGA deshalb Hochtemperatur-Radar-Sensoren für die berührungslose Füllstandmessung.

Hanspeter Oswald

In Destillations- und Stripperkolonnen werden Füllstände (z. B. Sumpf-, Boden- und Kopfprodukte) bisher in der Regel indirekt über Drucksensoren bzw. Differenzdruckmessungen erfaßt. Der Montageaufwand für die Druckmeßtechnik (Druckleitungen, Druckmittler…) ist groß und übersteigt den Wert des eigentlichen Sensors oft um ein Mehrfaches. Aufgrund des Mangels an geeigneten Alternativen arrangiert man sich in den MSR-Abteilungen nicht nur damit, sondern auch mit einem hohen Wartungsaufwand (Spülen der Meßrohre, Meßfehler durch Kondensat, Membranverkrustungen…) und akzeptiert oft eine sehr unbefriedigende Meßgenauigkeit (Temperaturfehler, Dichteschwankungen, Montagefehler…).
Die Anforderungen der Petrochemie an einen möglichst berührungslos arbeitenden Füllstand-Sensor lauteten deshalb:
• Temperatur- und Druckunabhängigkeit,
• Prozeßtemperatur bis 400 °C,
• Prozeßdruck bis 150 bar,
• prozeßberührende Werkstoffe, die hochbeständig und universell einsetzbar sind,
• Genauigkeit 0,1%,
• robustes Metallgehäuse,
• Ex-zugelassen (in EEX d und EEX ia verfügbar),
• Loop-Powered sowie digital vernetzbar.
Eine berührungslose, druck- und temperaturunabhängige Füllstandmessung ist prinzipiell nur mit Hilfe der Radar-Sensorik möglich.
Beherrschung unterschiedlicherTemperaturausdehnungskoeffizienten
Radar-Sensoren für hohe Temperaturen gibt es schon länger, aber alle müssen mit Preßluft, Wasser oder beidem gekühlt werden. Der Grund hierfür ist die Technik, mit der das Radar-Signal in den Behälter eingekoppelt wird, um den Füllstand zu ertasten. In diesem Einkoppelungsbereich verlassen die drahtgebundenen Radar-Hochfrequenzsignale von 5 bis 20 GHz den elektischen Leiter und dringen in einen Einkoppelungswerkstoff ein, der sich für die Hochfrequenzsignale ähnlich wie Luft bzw. der stoffleere Raum verhält. Die Höhe der Radar-Frequenz und die Art des Einkoppelungswerkstoffes diktiert dessen präzise geometrische Form. Das Einkoppelungsbauteil verhält sich dabei zunächst wie ein genau abgestimmter Hohlleiter und im Bereich des Austritts der Radar-Signale vom Einkoppelungsmedium in den Raum wie eine Fokussierlinse, mit der die Radar-Signale zu einem Hochfrequenz-Strahl gebündelt werden. Die relative Dielektrizitätszahl des Einkoppelungswerkstoffes gibt dabei den „Brechungsindex“ des Materials an.
Bisher war immer ein Kunststoff (PPS, PVDF, PTFE…) als Einkoppelungsmedium für die Mikrowellensignale und als gasdichte Barriere zwischen Prozeß und Elektronik erforderlich. Jedoch keiner dieser Kunststoffe behält bei Temperaturen über 150 °C oder gar 200 °C seine mechanische Festigkeit bzw. widersteht ungekühlt diesen Temperaturen.
Hinter dem Namen VEGAPULS 56 verbirgt sich ein Sensor, der ohne die neuen Ergebnisse der Werkstoffwissenschaft und Fertigungstechnik nicht möglich gewesen wäre. Als Einkoppelungswerkstoff wird eine speziell entwickelte Keramik verwendet, die sich hochfrequenztechnisch ähnlich wie die sonst verwendeten Kunststoffe verhält. Chemisch wie thermisch jedoch ist diese Keramik außerordentlich beständig.
Mit dem Prozeß hält der Sensor ungekühlt nur mit edlen und teueren Materialien Verbindung. Damit ist weniger das Flanschmaterial aus hochlegiertem Edelstahl (1.4571 oder besser) gemeint als vielmehr die besonders entwickelte Keramik (Al2O3) und deren Verbindungstechnik. Der Keramikstab empfängt vom Hochfrequenzmodul (von der intelligenten Fuzzy-Logic-Auswertelektronik) die Radar-Signale und arbeitet mit seinem kegelförmigen Ende als Sender und Empfänger. Die Abdichtung zwischen Edelstahlflansch und Keramikstab erfolgt durch einen mit aufwendigen Verfahren hergestellten Dichtring aus Tantal.
Das Besondere an dieser Technik ist die Paarung von Materialien mit so sehr unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Bei hohen Temperaturen ist die Temperaturspannung zwischen hochlegiertem Edelstahl und normaler Keramik enorm groß. Edelstahl (a = ca. 18,5 x 10-6 K-1) dehnt sich unter Wärme um mehr als das Doppelte gegenüber der Keramik
(a = ca. 8 x 10-6 K-1) aus.
Mit einem besonderen Verfahren – ähnlich einer Lötung – wird deshalb die Keramik moleküldicht mit einer metallischen Hülse verbunden, die den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie die eingesetzte Keramik besitzt. Verbindungstechnisch ist diese Lötung mit einer trockenen Brotscheibe vergleichbar, in die man Butter einschmelzen läßt, und beides anschließend tiefkühlt. Brot und Butter, bzw. Keramik und Metallhülse, sind damit fest, untrennbar und moleküldicht miteinander verbunden. Die so gelötete Metallhülse wird mit einer weiteren metallischen Aufnahme elektronenstrahlverschweißt. Keramikstab und aufgelötete Metallhülse (Löthülse) besitzen, wie schon erwähnt, identische Temperaturausdehnungskoeffizienten. Die metallische Aufnahme aber, in die die Löthülse mit dem Keramikstab eingeschweißt wurde, dehnt sich bei Erwärmung um mehr als das Doppelte gegenüber der Löthülse und Keramik aus. Die Löthülse um die Keramik ist deshalb konstruktiv so aufgebaut, daß sie die thermischen Bewegungen des hochlegierten Edelstahl-Prozeßanschlusses wie eine Feder ermüdungsfrei aufnehmen kann.
Keramik, Löthülse und metallische Aufnahme werden zum Schluß mit einem Laserstrahl in den Flansch/Prozeßanschluß eingeschweißt. Es entsteht ein thermisch absolut stabiles und durch Tantaldichtung, Schweißung und Lötung vollständig gasdichtes System. Die Einkopplung der Radarsignale erfolgt außerhalb des gasdichten Bereichs von hinten über eine kleine Bohrung in der Keramik von einem metallischen Hohlleiter.
Der heiße Prozeßflansch ist durch ein Rohrsystem thermisch von der Auswertelektronik und dem Mikrowellenmodul getrennt. Um auftretende Strahlungswärme fernzuhalten, muß die Flanschrückseite bis zum ersten Rohrsegment (130 °C in Abbildung 3) mit der üblichen Behälterisolation versehen werden. Anlagen dieser Art sind ohnehin standardmäßig isoliert, so daß sich die Prozeßseite des Sensors einfach in die Prozeßisolation einbeziehen läßt. Die Temperatur an der Prozeßseite des Flansches von 400 °C wird damit auf 40 °C an der Elektronik reduziert.
Puls-Radar oder FMCW-Radar?
Als Radar-Meßverfahren findet das Pulsverfahren Verwendung. Die Radar-Signale werden als kurze Pulse mit einer Dauer von 1 ns ausgesendet. Das Füllgut reflektiert die Pulse, und in den Pulspausen von 278 ns, in denen der Sensor als hochempfindliches Radar-Richtmikrofon arbeitet, empfängt der Sensor die Radar-Echos. Dabei gilt es, Signallaufzeiten von weniger als einer millionstel Sekunde zu verarbeiten und die Echobilder in Sekundenbruchteilen auszuwerten.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren der Zeittransformation. Die mehr als drei Millionen Echobilder pro Sekunde, die ohne Zeittransformation schwer auszuwerten wären, werden damit wie in einer Zeitlupenaufnahme gedehnt und lassen sich von der Meßelektronik dann sehr präzise auswerten. Ohne zeitraubende Frequenzanalysen (wie beim FMCW-Radar) ist es damit dem beschriebenen Sensor VEGAPULS 56 möglich, in Zyklen von 0,1 s den Füllstand immer wieder neu zu errechnen und mit einer Meßauflösung von 1 mm genau (Klassengenauigkeit 0,1%) auszugeben.
Weitere Informationen cav-245
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