Unabhängig vom Medium messen

Dipl.-Ing. (FH) Hans Lutz

Der berührungslose Radar sendet die Signale über eine Antenne in den Raum. Dabei ist die höhere Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe sowie das Abstrahlen in alle Richtungen zu berücksichtigen. Beim Einsatz des berührungslosen Radars für die Füllstandmessung führt das Verhältnis der abgestrahlten und wiederempfangenen Leistung bei 2-Leiter(EEx ia)-Meßumformern jedoch zu einem sehr schwachen Füllstandsignal, da die (EEx ia)-Bestimmungen nur eine geringe Leistungsaufnahme erlauben. Effektiv erreichen den Meßaufnehmer von 1 mW abgestrahlter Leistung weniger als 1%. Befindet sich Schaum auf der Mediumoberfläche, wird das Meßsignal nochmals geschwächt, absorbiert oder komplett von der Empfangsantenne weggeleitet. Ein sehr schwaches Meßsignal tritt auch bei Medien mit geringer Dielektrizitätskonstante auf. Beim geführten Radar werden die Impulspakete entlang einer Sonde geführt (Abb. 1). Die Sonde des Füllstandmeßumformers Eclipse 705 führt das Meßsignal so effizient, daß er nur ein Zehntel der abgestrahlten Leistung herkömmlicher berührungsloser Radarfüllstandmeßgeräte benötigt, um ein 20fach stärkeres Meßsignal zu erhalten. Dadurch lassen sich auch Medien mit geringen Dielektrizitätskonstanten bis hinunter zu er = 1,5 einwandfrei messen. Zudem verliert sich das Meßsignal nicht in Schaum oder Dämpfen (Abb. 2).

Installation und Inbetriebnahme der beiden Radarprinzipien unterscheiden sich ebenfalls grundlegend. Der berührungslose Radarfüllstandmeßumformer kann nur direkt in der Anwendung eingestellt werden, wobei Meßaufnehmer (Antenne) und Meßumformer miteinander verbunden sind. Die Inbetriebnahme und Kalibrierung der Geräte kann bis zu einer Woche dauern. Mittels Hüllkurven und Ausblenden einzelner Störstellen müssen beispielsweise Störungen von Schweißnähten und Einbauten ausgeschlossen werden. Auch benötigen berührungslose Radarmeßumformer oft ein spezielles Schwallrohr mit genau definierten Übergängen und einer Oberflächenrauhheit unter Rz-30 sowie unter 45° abgeschrägten Bodenwinkel. Beim geführten Radarfüllstandmeßumformer dagegen ist die Parametrierung der sechs Parameter (Einheit; Sondentyp; Sondenlänge; er-Bereich; 4- und 20-mA-Punkt) noch in der Werkstatt oder im Labor und ohne Flüssigkeit möglich. Die Parametrierung läßt sich unabhängig von der Sonde durchführen. Dies bietet den Vorteil, daß die Anlage im voraus montiert und eventuell auch TÜV- oder druckgeprüft werden kann. Die endgültige Inbetriebnahme erfolgt dann durch Anschrauben des Meßumformers an die Sonde und Anlegen der Versorgungsspannung. Mit Eclipse 705 lassen sich auch Füllstände in Bezugsgefäßen messen. Dabei spielen Schweißnähte, Prozeßstutzen, Entleerung und Entlüftung keine Rolle.

Eclipse 705 (Abb. 3) ist ein Real-Level-Füllstandmeßumformer, das bedeutet, der Füllstand wird direkt über die Grundeinheit Zeit ermittelt. Der sondengeführte Radarfüllstandmesser arbeitet unabhängig von den Medieneigenschaften wie Druck, Dichte, Temperatur, Viskosität, Leitfähigkeit und pH-Wert. Da die Medieneigenschaften nicht zur Meßwertgenerierung herangezogen werden, treten auch keine mediumsabhängigen Meßfehler auf. Die Inbetriebnahme erfolgt durch physikalischen Längenabgleich in cm.

Der 2-Leiter-Signalausgang von Eclipse 705 entspricht der NAMUR Empfehlung NE 43. Über SMART-/HART-Protokoll ist auch eine digitale Datenkommunikation möglich. Alle Sonden sind explosionsgeschützt nach EN50014ff (EEx ia IIC T4) und besitzen eine zusätzliche Kennzeichnung nach Atex 100a (II 1G). Als weitere Zulassung sind EEx d, FM und CSA möglich. Die Bezugsgefäße sind optional entsprechend der Druckbehälterverordnung TRB/TRD ausgeführt. An den Meßumformer lassen sich vier Sondentypen anschließen:

• Standardsonde 7MA (200 °C; 13 bar oder 20 °C; 50 bar),

• Hochdrucksonde 7MP (200 °C; 290 bar oder 20 °C; 345 bar),

• Hochdruck/Hochtemperatursonde 7MD (400 °C; 140 bar oder 200 °C; 345 bar) und

• Ultra Low Dielectric-Sonde 7MC (er = 1,5; Druck und Temperatur entspr. Standardsonde).

Durch das Radarfüllstandmeßgerät Eclipse 705 lassen sich auch die Betriebskosten erheblich reduzieren. Da die Sonde keine bewegten Teile besitzt und die Messung unabhängig von den Medieneigenschaften vonstatten geht, entfällt die Wartung. Der Meßumformer läßt sich einfach auswechseln, ohne die Sonde zu entfernen. Dadurch bleibt die Anwendung prozeßdicht. Bei der anschließenden Inbetriebnahme sind lediglich die neuen Parameter einzustellen. Dies ist flüssigkeitslos durchzuführen. Zudem wird durch den Aufbau von Eclipse 705 der Aufwand für Lagerhaltung und Einzelteilbeschaffung reduziert.

Für die Niveaumessungen in den Prozeßanlagen des Raffineriezentrums Harburg der deutschen Shell AG in Hamburg wurden fast ausschließlich Meßgeräte nach dem Verdrängerprinzip im Bezugsgefäß (Bypassrohr) eingesetzt. Die Meßwerte sind bei diesem Meßprinzip direkt abhängig von der Dichte der Flüssigkeit. Dichteabhängige Niveaumessungen sind jedoch für eine Raffinerie mit ständig wechselnden Rohölen und Fahrweisen auf Dauer keine gute Lösung. Der Aufbau der Meßgeräte verursachte hohe Wartungs- und Reparaturkosten. Als Alternative wurden Radarfüllstandmeßumformer auf ihre Funktion in vorhandenen Bezugsgefäßen in der Werkstatt der Shell-Raffinerie und anschließend in den Prozeßanlagen getestet. Der Eclipse-Füllstandmesser wurde dabei den Anforderungen der Shell AG: Einbau in vorhandene Bezugsgefäße, vorhandene EEx ia-Installation verwenden, Einsatz bei hohen Temperaturen und Drücken in Medien mit geringer Dielektrizitätskonstante sowie Einstellung über HART-Protokoll, gerecht. Da er medien- und dichteunabhängig arbeitet, kann bei beliebiger Rohölzusammensetzung gemessen werden. Überzeugen konnte der Eclipse-Füllstandmesser auch durch die niedrigen cost of ownership, die einfache Handhabung und den geringen Aufwand für die Lagerhaltung. Ein Prototyp der Hochtemperatur- und Hochdrucksonde 7MD in Kombination mit dem Eclipse 705 erfaßt nun das Sumpfniveau der Schwermaschinenöl-Strippkolonne C-0854. Die Temperatur im Bezugsgefäß beträgt 300 °C.

Die Erfahrungen mit Eclipse 705 veranlaßte die Shell AG die zur Zeit im Bau befindliche Anlage zur Benzolreduzierung im Otto-Kraftstoff ausschließlich mit sondengeführten Radarfüllstandmeßumformern Eclipse 705 auszurüsten.

Halle 9, Stand A56

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