Zuverlässig Füllstand messen

Michael Meyer

Füllstandmessungen, basierend auf Radartechnologie, stellen für die Prozessindustrie aufgrund der vielen Vorteile eine interessante Alternative gegenüber anderen Füllstandmessverfahren dar. Mit Radar lässt sich sehr genau messen, unabhängig von hohen Drücken, hohen Temperaturen, Gaskonzentrationen, Produktdichten oder aggressiven Chemikalien. Die Wartungsfreiheit, resultierend aus der berührungslosen Messung, ist ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor. TankRadar Pro ist ein leistungsfähiges speziell für die Prozessindustrie entwickeltes Radar–Füllstandmessgerät für den Einsatz in Prozesstanks, Lagertanks und anderen Tanktypen (Abb. 1)

Bei einem Radar–Füllstandmessgerät ist die Zeit, die ein Radarsignal benötigt, um zur Oberfläche hinunter und wieder zurück zu wandern, proportional zum Abstand zwischen dem Transmitter und der Oberfläche. Der Produktfüllstand kann aus dieser Zeitspanne berechnet werden. Man unterscheidet bei den Radargeräten zwei wesentliche Modulationsverfahren:

Das Impulsverfahren stützt sich auf die Übertragung eines Radarimpulses zur Flüssigkeitsoberfläche und die Messung der Rückkehrdauer des Impulses. Weil präzise Messungen eines derart kurzen Zeitintervalls schwierig sind, eignet sich dieses Verfahren eher für Anwendungen mit geringeren Anforderungen.

Das Radar–Füllstandmessgerät TankRadar Pro dagegen benutzt das FMCW–Verfahren (FMCW steht für Frequency Modulated Continuous Wave; Abb. 2). Hierbei wird ein Mikrowellensignal mit einer kontinuierlich variierenden Frequenz (9,25 – 10,75 GHz, 100 ms) zur Flüssigkeitsoberfläche übertragen. Wenn das reflektierte Signal zur Antenne zurückkehrt, wird es im Messgerät mit dem aktuell ausgestrahlten Signal gemischt. Weil der Transmitter fortwährend die Frequenz des ausgestrahlten Signals ändert, gibt es einen Unterschied in der Frequenz zwischen den aktuell ausgestrahlten und den reflektierenden Signalen. Das Ergebnis ist ein Signal mit niedriger Frequenz, das proportional zum Abstand zur Flüssigkeitsoberfläche ist.

Die Wahl der richtigen Mikrowellenfrequenz spielt bei der Radar-Füllstandmessung eine ausschlaggebende Rolle. Höhere Frequenzen ergeben kürzere Wellenlängen, die empfindlicher auf Dämpfe, Schaum und Verschmutzung reagieren. Bei Frequenzen um 24 GHz reicht eine geringe Wasserdampfmenge aus, um die Mikrowelle zu absorbieren. Niedrigere Frequenzen ergeben längere Wellen und breitere Strahlwinkel, die eine Vielzahl von Störechos an den Wänden und Rührwerken hervorrufen. Die optimale Frequenz wurde bei ca. 10 GHz ermittelt. Dieser Bereich gehört zu einem der erlaubten behördlich vorgeschriebenen Frequenzbänder für zivile Applikationen.

Zur Driftstabilisierung und um Nachkalibrierungen überflüssig zu machen, wurde das System mit einer automatischen Selbstkalibrierungsroutine ausgestattet. Dabei wird ein Referenzsignal zu einer eingebauten Kalibrierungslinie mit bekanntem internen Abstand ausgesendet.

Eine Reihe von Faktoren wie die Dielektrizitätskonstante des Produkts, Tankhöhe, Oberflächenturbulenzen, Objekte zwischen Sensor und Oberfläche wie z. B. Rührblätter oder Rohre, Schaum und Kondenswasser, beeinflussen die Größe des reflektierten Signals. Um auch kleinste Signale messen zu können, ist ein sehr gutes Signal-Rauschverhältnis erforderlich. Der TankRadar Pro besitzt mit einem Signal-Rauschverhältnis von 110 dB eine sehr hohe Empfindlichkeit.

Auch die Bauform und Größe der gewählten Antenne haben Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Radar-Füllstandmessgeräten. Oft erscheinen kleine Antennen als geeignet, besonders bei beschränktem Montageraum. Dies kann jedoch von Nachteil sein, da bei Verwendung kleiner Antennen ein breiterer Radarstrahl erzeugt wird und dadurch unerwünschte Reflexionen von Einbauten im Tankinneren und vor allen Dingen von der Tankwand selbst auftreten können. Bei größeren Antennen ist der Strahl enger gebündelt, wodurch störende Teile im optimalen Fall gar nicht erst erfasst werden. Durch den höheren Antennengewinn ist ein stärkeres reflektiertes Signal ein zusätzlich erwünschter Effekt.

Aus diesem Grund stehen beim TankRadar Pro eine Vielzahl von Antennen zur Verfügung. So kann für jeden Anwendungsfall eine optimale Lösung gefunden werden, egal ob hohe hygienische Anforderungen, Ex-Zonen, hohe Drücke, hohe Temperaturen oder aggressive Tankatmosphären existieren (Abb. 3).

Je nach Komplexität des Tankinneren sind vorhandene, störende Echos auszublenden. Durch verschiedene Softwaremodule, die je nach Geräteversion als Option erhältlich oder bereits standardmäßig vorhanden sind, ist das TankRadar-Pro-System für vielfältige Anforderungen konfigurierbar. Die einfachste und bekannteste Signalverarbeitungstechnik ist die schnelle Fourier-Transformation (FFT). Diese wird für anspruchslosere Messungen mit ungenauerer Auflösung und Präzision verwendet. Der Echofixer ist ein Softwaremodul, das die Zuverlässigkeit des Füllstandmessgerätes in Tanks mit Rührwerken und anderen Quellen falscher Echos steigert. Wenn sich echostörende Gegenstände im Tankinneren befinden, muss der digitale Signalprozessor (DSP) zwischen der tatsächlichen Flüssigkeitsoberfläche und den Störechos unterscheiden. Der Echofixer besitzt eine ausgereifte Funktionalität, um die Fähigkeit des Gerätes, störende Echos vom zu messenden Oberflächenecho unterscheiden zu können, entscheidend zu verbessern.

Zur weiteren Optimierung der Messgenauigkeit kann die Fast High Accuracy Signal Technique (FHAST) auf das resultierende Signal angewandt werden (Abb. 4) Der FHAST-Filter begrenzt die Region um die Produktoberfläche, die analysiert werden soll. Das Ergebnis ist eine weitaus effizientere Signalverarbeitung, wodurch die Zuverlässigkeit auch unter erschwerten Bedingungen erhöht wird. In Tanks mit echostörenden Objekten kann unter Umständen die Auflösung gesteigert werden, indem das Multiple Echo Tracking (MET)-Modul hinzugefügt wird. MET steigert die Auflösung des Radarbildes, so dass sich echte Echos einfacher identifizieren lassen.

Das TankRadar Pro kann als selbständige Einheit benutzt oder mit verschiedenen Steuersystemen verbunden werden. Dank der Hart-Technologie lässt sich das Gerät mit einem Handterminal oder einem PC konfigurieren und die Messwerte können abgelesen werden. Damit ist auch die Einbindung in ein lokales LAN-Netz realisierbar. Je nach Hardwarekonfiguration ist die Überwachung auch über ein oder zwei Analogausgänge möglich. Optional steht ein benutzerfreundliches Anzeigefeld direkt am Gerät zur Verfügung. Vier robuste Softkeys ermöglichen den Zugriff auf verschiedene Konfigurationsroutinen, Servicefunktionen und Füllstandüberwachung.

Halle 9.2, Stand D38-D39

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