Messung ohne Hindernisse

Das Radarfüllstandmessgerät für Flüssigkeiten Vegapuls 64 arbeitet mit einer Sendefrequenz von 80 GHz. Schon vor 16 Jahren ist Vega einen ähnlichen Innovationsschritt gegangen. Mit der Einführung der 26-GHz-Technologie wurden die Sensoren deutlich kleiner als bei der bis dahin verwendeten Sendefrequenz von 6,3 GHz. Das eröffnete viele neue Anwendungsmöglichkeiten für die zu dieser Zeit noch neue Technologie. In den letzten Jahren wurde die Technik immer weiter entwickelt und verfeinert. Nun ist es möglich, Komponenten mit Frequenzbereichen von 80 GHz auch für die Füllstandmessung zu nutzen. Wichtig waren hier Kriterien wie ein geringer Energieverbrauch und eine extrem hohe Signalempfindlichkeit.

Der Vegapuls 64 zeichnet sich durch eine sehr enge Fokussierung und eine große Dynamik aus. Die Fokussierung eines Radarmessgerätes hängt von der Sendefrequenz und der wirksamen Antennenfläche ab. Bei gleichbleibender Antennengröße ermöglicht die höhere Frequenz eine deutlich bessere Fokussierung. Bei einer Antennengröße von ca. 80 mm beträgt der Öffnungswinkel eines 80-GHz-Sensors lediglich 3°. Bei einem Radarsensor mit 26 GHz Sendefrequenz liegt dieser bei gleicher Antennengröße dagegen bei etwa 10°. Dieser enge Öffnungswinkel wirkt sich auf viele Messsituationen, die bisher eine große Herausforderung darstellten, positiv aus. Dadurch kann der Sensor selbst in Behältern mit Einbauten wie Rührwerken oder Heizschlangen sicher eingesetzt werden, weil der Radarstrahl an den Hindernissen einfach vorbeigeht.

Der Dynamikbereich liefert eine Aussage darüber, in welchen Anwendungsbereichen ein Radarsensor eingesetzt werden kann, sprich den Unterschied zwischen kleinstem und größtem Signal. Je größer die Dynamik, desto breiter das Einsatzspektrum der Sensoren und desto höher die Messsicherheit. Der Vegapuls 64 verfügt über einen sehr großen Dynamikbereich von 120 dB. Das bedeutet, dass Medien mit geringen Reflexionseigenschaften, also kleiner Dielektrizitätszahl, deutlich besser gemessen werden können, als mit den bisherigen Radarsensoren. Auch bei Schaum und extrem turbulenten Füllgutoberflächen wird durch die höhere Dynamik eine zuverlässigere Füllstandmessung ermöglicht. Zudem lässt sich der Füllstand auch ganz nah am Behälterboden ermitteln. Die Genauigkeit des Sensors mit einem Messbereich von 30 m liegt bei ±2 mm.

Unbeeindruckt verhält sich der Sensor auch gegenüber Ablagerungen oder Kondensatbildung. Gerade in Anwendungen, bei denen die Prozesstemperatur im Behälter höher ist als die Umgebungstemperatur außerhalb des Behälters, ist mit Kondensat zu rechnen. Da Radarsensoren immer oben am Behälter angebracht sind, befindet sich dort oft der kälteste Punkt im Tank. So treten verstärkt Kondensat und Anhaftungen auf. Der Vegapuls 64 ist besonders unempfindlich gegen Ablagerungen und Kondensat. Dies wird vor allem durch eine Anpassung der Empfindlichkeit im Nahbereich des Sensors erreicht. Die entfernungsabhängige Dynamikanpassung reduziert die Einflüsse von Störungen direkt vor dem Antennensystem und ermöglicht gleichzeitig eine sehr hohe Signalempfindlichkeit in einem größeren Abstand. Da der Vegapuls 64 in der Flanschausführung ein gekapseltes Antennensystem besitzt, ist außerdem eine sehr gute Reinigbarkeit sichergestellt.

Sollen bestehende Anlagen mit Sensoren zur Füllstandmessung nachgerüstet werden, ist es mitunter schwierig, einen geeigneten Montageort zu finden, da die bestehenden Behälterstutzen bereits belegt sind. Bei besonders langen Stutzen kommt es durch die oft sehr breiten Abstrahlwinkel bisheriger Sensoren zu starken Störreflexionen an den Stutzenenden. Da die besonders langen Stutzen sogar mehrere Vielfachechos erzeugen, wird die Messsicherheit im Bereich dieser Reflexionen deutlich eingeschränkt. Gerade bei Medien, die Radarsignale nur gering reflektieren, kann dieser Effekt zu einem erheblichen Mindestabstand im oberen Bereich des Behälters führen. Durch geeignete Antennenverlängerungen konnte dieser Einfluss zwar etwas verringert werden, trotzdem mussten bei der bisher eingesetzten Technik Einschränkungen bei der Montage auf hohen Stutzen in Kauf genommen werden. Durch die sehr gute Signalbündelung des 80-GHz-Sensors werden durch das Stutzenende kaum Störreflexionen hervorgerufen. Das Ergebnis ist eine zuverlässige Messung bis dicht an die Behälterdecke und die einfache Nachrüstung bestehender Anlagen.

Ein Anwendungsbeispiel ist ein Emulsionsreaktor einer Chemieanlage, der mit Xylol, Wasser und anderen organischen Lösemitteln als Reaktionsmittel befüllt wird. Diese Stoffe werden vermischt und durch Heißdampf bis auf 150 °C erhitzt. Durch die Bewegung und die hohe Temperatur entsteht eine empfindliche Emulsion. Die Herausforderung für die Messung des Füllstands besteht darin, dass ein Rührwerk mit drei Ebenen zum Vermischen der Stoffe verwendet wird. Der starke Dampf und die dadurch entstehende Kondensation durch Temperaturen über 150 °C rufen weitere Störeinflüsse hervor. Für einen sicheren Betrieb während des Reaktionsprozesses ist eine exakte Füllstandmessung notwendig. Durch die gute Fokussierung des 80-GHz-Radarstrahls entstehen durch das Rührwerk keine Störsignale und es ist ein zuverlässiges Messergebnis sichergestellt. Durch den großen Dynamikbereich von 120 dB kann der Vegapuls 64 auch bei dichtem Dampf und starker Kondensation ein eindeutiges Füllstandsignal empfangen. Ein weiterer Vorteil in dieser Anwendung ist, dass der Radarsensor auch bei einer Montage nahe an der Behälterwand bis zum Behälterboden messen kann, wenn der Reaktor leer ist. Der Sensor wird nicht durch Störreflexionen von der Behälterwand beeinflusst.

Die Radarfüllstandmessgeräte wurden seit Dezember 2015 mit einer Nullserie von 200 Sensoren in verschiedenen Branchen und Anwendungen weltweit installiert. Dabei wurden vor allem die Anwendungen gewählt, die bis dahin als problematisch oder schwierig zu messen galten. Bei diesen Einsätzen wurden die Echokurven aufgezeichnet, um auf dieser Basis die Signalverarbeitung für die Seriengeräte, die seit Anfang Mai auf dem Markt sind, noch einmal zu bearbeiten und zu optimieren.

Schon jetzt zeichnet sich ab, dass das neue Radarfüllstandmessgerät zum Problemlöser in Lagern und Reaktionsbehältern mit vielen Einbauten und Rührwerken wird. So zeigte sich der Sensor von extremen Prozessbedingungen, Schaum oder Anhaftungen unberührt. Auch Behälter mit Heizschlangen oder enge Pumpenschächte im Abwasserbereich sind Anwendungen, die der Vegapuls 64 spielend meistert. Dank seiner kleinen Prozessanschlüsse eignet er sich zudem auch für viele Anwendungen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie.

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