Mit Tropfenantenne aus PTFE

Obwohl sich geführte Mikrowellen (auch bekannt als TDR oder geführtes Radar) bei der Füllstandmessung in kleineren Silos immer mehr etablieren, bleiben Freistrahl-Radargeräte nach wie vor die erste Wahl für die kontinuierliche Überwachung von Feststoffsilos aller Größen. Gerade bei Produkten wie Getreide oder Mehl müssen die Geräte verschiedene technische Herausforderungen meistern, beispielsweise die starke Staubentwicklung während der Befüllung der Silos oder die Signaldämpfung, die aus der permanent staubhaltigen Atmosphäre in den Silos resultiert. Dieser Effekt tritt auch bei Staubablagerungen an (metallischen) Antennen auf. Eine weitere Herausforderung sind diffus ausgeprägte positive bzw. negative Schüttkegel. Sie können zu Mehrfach-Echos führen, die zusätzlich zur direkten Signalreflexion auch indirekte Reflexionen über die Behälterwand erzeugen.

Lösungen sind in beiden Fällen bereits verfügbar: Dämpfung und Streuung werden beim häufig verwendeten FMCW-Radar (Frequency Modulated Continuous Wave) durch die hohe Signaldynamik ausgeglichen. Gleichzeitig können mit dieser Technologie schwache Oberflächenreflexionen und starke Störsignale verarbeitet und zuverlässig voneinander unterschieden werden. Ferner unterscheiden moderne Radargeräte dank intelligenter Algorithmen zwischen Mehrfach-Echos und direkten Signalen von der Produktoberfläche und finden so das „richtige“ Signal.

In vielen Fällen wird die Auswahl des Radar-Füllstandmessgerätes über den Anschaffungspreis getroffen. Eine ganzheitliche Betrachtung der anfallenden Kosten ist hier jedoch erforderlich. So sind Kosten für eine eventuell notwendige kontinuierliche Druckluftspülung der Antenne zu berücksichtigen. Hinzu kommen Mehrkosten für Prozessanschlüsse für große Horn- oder Parabolantennen. Sie fallen sowohl geräte- als auch behälterseitig an.

Typischerweise kommen bei der Füllstandmessung in Silos mit pulverförmigen Feststoffen Horn-, Parabol- oder Tropfenantennen zum Einsatz. Neben der Form unterscheiden sich diese in puncto Signalausstrahlung: Je kleiner und fokussierter der Abstrahlwinkel ist, umso besser eignet sich die Antenne für schlanke Silos. Aufgrund der unterschiedlichen Fokussierung des Radarsignals ist auch der Messbereich der Antennen unterschiedlich groß, die Tropfenantenne reicht beispielsweise bis 80 m und damit 10 m weiter als die anderen Antennenformen es typischerweise tun. Das heißt, um die gewünschten Messergebnisse zu erzielen, muss der Antennentyp genau auf die Situation im Silo abgestimmt werden.

Des Weiteren beeinflusst der Antennentyp die Anschaffungskosten. So ist die Tropfenantenne aus PP oder PTFE in der Regel billiger als die aus Edelstahl gefertigten Horn- oder Parabol-antennen. Außerdem bestimmt die Antennengröße auch die Größe des mechanischen Anschlusses. Unter Umständen lassen sich hier Kosten für die Umarbeitung des vorhandenen Stutzens sparen.

Die meisten Radar-Füllstandmessgeräte arbeiten wartungsfrei. Das spart Kosten. Anders verhält es sich jedoch, wenn eine Antennenspülung zum Einsatz kommt. Die Installationskosten für das Leitungssystem mit Ventil und Steuerung addieren sich zu den Kosten für den permanenten Verbrauch von Spülluft. Hier empfiehlt sich eine komplett spülfreie Lösung wie sie die Tropfenantenne bietet.

Wie eine Lösung ohne Antennenspülung aussieht und welche Vorteile sie bietet, wird im Folgenden am Beispiel einer Füllstandmessung in Mehlsilos bei der Nestlé Wagner GmbH erläutert. Das Unternehmen zählt zu den größten europäischen Herstellern von Tiefkühlpizzen. Die Teigwaren werden an zwei Standorten im saarländischen Nonnweiler produziert. Die Produktionsanlagen laufen kontinuierlich. Das bedeutet u. a., dass alle Rohstoffe immer in der benötigten Menge bereitgestellt werden müssen. Zum Beispiel das Mehl für den Pizzateig, das in mehreren 12 m hohen Metallsilos bevorratet wird. Um eine zuverlässige Versorgung der Produktion mit diesem wichtigen Rohstoff sicherzustellen, werden die Silos kontinuierlich überwacht.

Die Füllstandmessung von Mehl ist aufgrund der fortdauernden, starken Staubentwicklung schwierig. So musste in der Vergangenheit ein Messsystem dauernd aus dem Prozess genommen werden, da Produktablagerungen regelmäßig zu Messausfällen führten, was in letzter Konsequenz beträchtliche Wartungskosten verursachte. Zudem wurde die Messgenauigkeit über den gesamten Zeitraum durch die schwach reflektierende Produktoberfläche des Mediums (er = 2) stark beeinträchtigt.

Auf der Suche nach einer zuverlässigen Lösung testete Nestlé Wagner mehrere freistrahlende Radar-Füllstandmessgeräte unterschiedlicher Hersteller über einen Zeitraum von vier Monaten im Parallelbetrieb. Alle Geräte, deren produktberührte Teile aus FDA-konformen Werkstoffen gefertigt waren, hatten eine Zulassung nach Atex Ex iaD 20/21 für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen mit Staub.

Das berührungslose Radar-Füllstandmessgerät Optiwave 6300 C (FMCW) von Krohne Messtechnik überzeugte bei dem Test aufgrund seiner sehr guten Messleistung und wartungsarmen Funktionsweise. Der Silofüllstand wird in Prozent ausgegeben. Wird die Produktdichte vorgegeben, kann das Gerät auch direkt auf Volumen oder Masse umrechnen. Im Unterschied zu den anderen getesteten Geräten benötigte das Füllstandmessgerät Optiwave 6300 keinen Spülanschluss. Vor diesem Hintergrund entschied sich Nestlé Wagner für die Anschaffung dieser Geräte. Sie überwachen sieben Mehlsilos.

Mit ihrem 24…26-GHz-FMCW-Radar halten die Optiwave-6300-Geräte problemlos der staubigen Atmosphäre in den Mehlsilos stand. Ausgestattet sind sie jeweils mit einer DN-80-Tropfenantenne aus PTFE, die von Krohne speziell für Feststoffanwendungen entwickelt wurde. Um den Füllstand direkt von oben messen zu können, wurden bei der Installation die vorhandenen Stutzen (DN 80) auf dem Dach der Silos genutzt.

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