Ein klassisches Verfahren mit Zukunft

Hans-Peter Maier

Für die Messung von Füllständen in den vielfältigen Anwendungen aller Branchen, ob Flüssigkeiten oder Schüttgüter, existieren heute unterschiedliche Verfahren. Nicht jedes Verfahren ist gleichermaßen für alle Anwendungen geeignet. Jedes Messprinzip hat seine Stärken und Anwendungsgrenzen. So reagieren einige auf die Leitfähigkeit, andere auf die Dichte oder die Dielektrizitätszahl des zu messenden Füllguts. Für jede Messaufgabe finden sich auf den ersten Blick im Normalfall zwei oder drei alternative Messverfahren. Soll ein Füllstandmessgerät den Messwert sicher und zuverlässig unter allen Betriebsbedingungen liefern, so müssen bei der Auswahl des Geräts neben der Druck- und Temperaturfestigkeit auch die Eigenschaft des Messstoffes, mögliche Prozesseinflüsse, die Applikationsumgebung sowie der Montageort berücksichtigt werden. Die berührungslos arbeitenden, und daher sehr wartungsarmen Ultraschallfüllstandmessgeräte, erweisen sich in vielen Anwendungen als preiswerte Lösung. Sie sind sowohl in Flüssigkeiten, Pasten als auch in grobkörnigen oder stückigen Schüttgütern einsetzbar. Bei der Lagerung chemisch aggressiver Medien bieten die standardmäßig vollverschweißten Ultraschallsensoren aus PVDF bereits von Hause aus die erforderliche Beständigkeit. Bei grobkörnigen bzw. stückigen Schüttgütern mit mäßiger Staubentwicklung hat die Ultraschallmesstechnik ebenfalls einen Vorteil. Durch die Bewegung der Sensormembran bei der Ultraschallerzeugung entsteht ein Selbstreinigungseffekt, der eine Reinigung des Sensors und damit eine Wartung überflüssig macht.

Ende der 60er-Jahre, also vor knapp 40 Jahren, feierte man bei Endress+Hauser die Geburtsstunde der Ultraschallfüllstandmesstechnik. Es war eine Revolution in der Messtechnik, als das aus der Schifffahrt entliehene Echolotprinzip auf die berührungslose Füllstandmessung übertragen wurde und dieses der damals geläufigen kapazitiven Messtechnik Konkurrenz bot. Der geringe Wartungsaufwand und der geringe Verschleiß durch fehlende Produktberührung zeichneten schon damals das Verfahren aus. Der anfänglich verwendete akustische Schallwandler, ein Hochton-Kalottenlautsprecher, wie er auch in Rundfunkempfängern verwendet wurde, begrenzte die Anwendung zunächst auf Schüttgüter. Die für Flüssigkeitsanwendungen erforderliche Druck- und Temperaturverträglichkeit erlangte man erst durch die Entwicklung eines Piezoschwingers, wie er noch immer in Ultraschallsensoren Verwendung findet. Die permanente Verbesserung des Produktionsprozesses bei der Herstellung der Ultraschallsensoren garantiert heute eine hohe Qualität und machte Endress+Hauser zu einem der Weltmarktführer in der Ultraschallsensortechnologie.

Die zugehörigen ersten Messumformer waren im Vergleich zu den heutigen Geräten wahre Monster. Die Inbetriebnahme erforderte nicht selten Spezialisten, die mit Labormessmitteln wie Oszilloskopen direkt vor Ort in staubiger Umgebung die nötigen Einstellungen durchführten. Im Gegensatz hierzu ist die heutige Inbetriebnahme von Ultraschallmesslinien durch die menügeführte Auswahl vorgegebener Anwendungsparameter wie Medium und Behälterform spielend einfach geworden. Das physikalische Messprinzip hat sich bis heute nicht geändert, die Geräte dazu schon. Die Zeit ist nicht stehen geblieben. Im Laufe der vergangenen 40 Jahre sind neue Verfahren wie das Radar und geführtes Radar zur Füllstandmessung hinzugekommen. Sie haben das Ultraschallverfahren ergänzt und die Anwendungsgrenzen der Füllstandmesstechnik erweitert.

Die zwei aktuellen Ultraschallgerätefamilien Prosonic M und Prosonic S ergänzen sich ideal in ihren Einsatzbereichen. Die Kompaktausführung Prosonic M, die den Sensor und Messumformer in einem Gerät vereint, ist ideal für alle Standardanwendungen und spart Zeit bei der Montage und Verdrahtung. Die getrennt instrumentierte Messlinie Prosonic S, bestehend aus Messumformer und separatem Sensor, ist ideal für raue oder unwegsame Anwendungen oder wenn Grenzstandrelais erforderlich sind.

Die Geräte der Prosonic-M-Familie sind in abgestuften Messbereichen bis 20 m und in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Die Montage erfolgt ab 1½“-Schraubgewinde. Die Standardausführung umfasst das robuste Aluminiumgehäuse in Schutzart IP 68 und beim füllstandproportionalen 4…20-mA-Stromausgang das Hart-Protokoll. Optional sind Profibus-PA- und Foundation-Fieldbus-Anbindung möglich. In 2-Draht-Ausführung kann der Sensor direkt aus einer analogen Eingangskarte der SPS gespeist werden. Die optionale 4-Draht-Ausführung kann je nach Wahl mit 24 V(DC) oder direkt aus dem 230-V-Netz versorgt werden. Zu den Geräten der neuesten Generation zählt der Ultraschallkompaktsensor FMU44 mit 20 m Messbereich, Flanschmontage ab DN 100 und vollverschweißtem Ultraschallschwinger aus PVDF. Er ist die ideale Lösung bei aggressiven Flüssigkeiten wie Säuren und Laugen, z. B. in Lager- oder Puffertanks in der chemischen Industrie. Als erster Kompaktsensor mit kleinen Messbereichen ist er mit einer Staub-Ex-Zulassung Atex 1/2 D erhältlich. Prosonic M ist somit für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet (Gas, Stäube).

Die Geräte der Serie Prosonic S bestehen als getrennt instrumentierte Messeinrichtungen aus dem Messumformer FMU90 bzw. FMU95 und einem oder mehreren Sensoren FDU9x, die bis zu 300 m vom Messumformer entfernt montiert werden können. Die Messumformer gibt es in zwei Gehäuseausführungen. Das kompakte Hutschienengerät erlaubt eine platzsparende und schnelle Montage im Schaltschrank – optional mit Anzeige-/Bedieneinheit für den Schalttafeleinbau. In der Ausführung als robustes, witterungsfestes Feldgerät in der Schutzart IP 66, kann er an gewünschter Stelle direkt im Freien montiert werden. Die überflutungssicheren (IP 68) Sensoren der Baureihe FDU9x sind hinsichtlich kleinerer Blockdistanz und höherer Temperaturbereiche verbessert und geeignet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen (Gas, Stäube). Der Selbstreinigungseffekt der vollverschweißten Sensoren aus PVDF für chemisch aggressive Medien oder aus Edelstahl für die Lebensmittelindustrie wurde konstruktiv verstärkt. Die Inbetriebnahme ist sicher und einfach durch die automatische Sensorerkennung und die anwendungsbezogenen Parametriermenüs. Die Kabelanschlüsse erfolgen über steckbare Federkraftklemmen. Der Messumformer FMU90 ist als 1- bzw. 2-Kanal-Ausführung ausgeführt. Die hohe Messgeschwindigkeit erlaubt den Einsatz auch bei schnellen Füllstandänderungen. Einen Preisvorteil bietet die variable Gerätefunktionalität. Ob Füllstand- oder Volumenmessung oder bei abwassertechnische Anlagen die Durchflussmessung in offenen Gerinnen/Wehren (Formelberechnung) oder eine komplette Pumpensteuerung bis 6 Relais bzw. Rechensteuerung, die Geräteausführung und der Funktionsumfang lässt sich der Aufgabe entsprechend an die Messaufgabe anpassen. Eine optional beheizte Sensorausführung ermöglicht eine zuverlässige Messung auch bei Eisbildung am Sensor. Der 5- bzw. 10-Kanal Scanner FMU95 mit Profibus DP reduziert den Geräte- und Montageaufwand bei vielen Messstellen z. B. in Tanklagern oder Silofarmen.

Die Bedienung oder Inbetriebnahme der Prosonic M und Prosonic S erfolgt entweder direkt vor Ort über das Klartext-Display oder alternativ mit dem graphischen Bedien- und Parametrierprogramm ToF-Tool. Zur schnellen Beurteilung der Qualität der Messung kann die Echokurve (Hüllkurve) auch auf dem Vorort-Display betrachtet werden.

cav 455

Ultraschallmesstechnik

Literatur

Maintain 2007