Sondengeführter Radar

Dieter J. Greiner

Die betriebssichere Füllstandmessung in Flüssigkeiten mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten wie Lösemittel, Öle, Flüssiggase, Kohlendioxid, Glykol oder Kältemittel stellte in der Vergangenheit eine Herausforderung dar. Die Ursachen lagen dabei in den Produkteigenschaften, verbunden mit ungünstigen Prozessbedingungen wie hoher Druck, hohe Temperatur oder bewegte und siedende Flüssigkeitsoberflächen. Für eine kontinuierliche Füllstandmessung solcher Produkte stehen heute zwei verschiedene Radarprinzipien (sondengeführt oder berührungslos) zur Verfügung.

Beim berührungslosen Radarmessumformern werden die Signale mittels einer Antenne frei in den Raum gesendet. Das Messsignal muss sich deshalb den Weg über den Gasraum suchen. Da dazu sehr viel Energie benötigt wird, werden berührungslos messende Geräte für Anwendungen in Kohlenwasserstoffen mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten notwendigerweise in 4-Leitertechnik, also mit separater Stromversorgung angeboten. Berührungslose Radarmessumformer in reiner 2-Leitertechnik hingegen sind in Kohlenwasserstoffprozessen nur für sehr spezielle Nischenanwendungen geeignet, weil im Ex-Bereich die elektrische Leistung aus Explosionsschutzgründen zusätzlich begrenzt und das Sende/Empfangssignal nicht nur sehr langsam getaktet, sondern zudem entsprechend klein ist. Ein weiterer Nachteil bei allen berührungslosen Radarmessumformern liegt auch in der Tatsache, dass diese im eingebauten Zustand abgeglichen werden müssen.

Für die Füllstandmessung von Kohlenwasserstoffen eignet sich besonders die sondengeführte Radarmesstechnik (GWR, Guided Wave Radar). Die GWR-Technologie, wie sie beim Magnetrol-Füllstandmesser Eclipse 705 (Abb. 1) eingesetzt wird, benötigt zur Versorgung nur eine 4- bis 20-mA-Stromschleife in 2-Leitertechnik und ist mediumberührt. Sie verbindet TDR (Time Domain Reflectometry), MIR (Micropower Impulse Radar) und ETS (Equivalent Time Sampling) mit moderner Mikroprozessortechnik zu einem schnellen Radarmessumformer (Lichtgeschwindigkeit). Elektromagnetische Impulse werden mit einer Taktfrequenz von 200 kHz nahezu verlustfrei entlang einer Messsonde geführt und übertragen. Wenn ein Impuls auf eine dielektrische Diskontinuität trifft – verursacht durch eine Flüssigkeitsoberfläche – wird ein Teil der Impulsenergie reflektiert. Die Signalstärke des reflektierten Signals ist von der Dielektrizitätskonstante (er) der Flüssigkeit abhängig. Eine variierende Dielektrizitätskonstante beeinflusst zwar die Stärke des Reflexsignals, nicht aber dessen Laufzeit auf der Messsonde. Der Füllstand wird unabhängig von aktuellen Prozessbedingungen wie Dichte, Druck oder Temperatur auch in Medien mit sich schnell ändernden Füllständen, Wellenbewegung, Turbulenzen, siedende Oberflächen oder sehr niedriger Dielektrizitätskonstante wie Flüssiggase ab er = 1,4 zuverlässig gemessen. Selbst Schaum und Aerosole oder Sattdampf stören die Messung nicht.

Die Montage der Messsonden erfolgt durch Prozessanschlüsse ab 3/4″ NPT-Gewinde. Der Anwender entscheidet, ob die Messung direkt in einem Tank, in einem Prozessbehälter, oder seitlich in einem Bezugsgefäß erfolgt. Die innere Oberflächenbeschaffenheit von bis zu 6 m langen und 50 mm engen Bezugsgefäßen ist messtechnisch bedeutungslos. Hohe Zuverlässigkeit für toxische, Vakuum-, Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen bieten die Sonden 7MD und 7MP mit Heliumleckraten kleiner 10-8 mbarl/s. Der Explosionsschutz ist für den Geltungsbereich der EU nach Atex (EG-Baumusterprüfbescheinigung in EEx ia oder in EEx d(ia)) sowie für den nordamerikanisch orientierten Markt nach FM/CSA (I.S. oder explosion proof) abgedeckt. An den immer gleichen Messumformer (Abb. 3) lassen sich verschiedene Sondenkonfigurationen anschließen. Die wichtigsten Ausführungen sind:

• 7MR, WHG § 19 Standardsonde: ab er = 1,4 für 50 bar bei 20 °C oder 200 °C bei 13 bar (auch für Flüssiggase)

• 7MP, Hochdrucksonde: ab er = 1,7 für 345 bar bei 20 °C oder 200 °C bei 290 bar

• 7MD, WHG § 19 Hochdruck/Hochtemperatursonde: ab er = 2,0 für 345 bar bei 20 °C oder 400 °C bei 140 bar

GWR-Füllstandmessumformer Eclipse 705 ermitteln die Füllstandoberfläche direkt über die Grundeinheit Zeit. Der gemessene Zeitunterschied ist unabhängig von den Umgebungsbedingungen und den Produkteigenschaften. Mit der Einstellung von nur sechs Parametern (Messeinheit, Sondentyp, Prozessanschluss, Sondenlänge, er-Bereich, und Messspanne für 4 bis 20 mA) ist der Grundabgleich beendet. Diese Einstellungen können getrennt von der Messsonde, zum Beispiel in der Werkstatt oder im Labor und völlig ohne Flüssigkeit, erledigen werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Sonde ohne Messumformer vorab in der Anlage montiert und eventuell TÜV oder Druckprüfungen unterzogen werden kann. Die endgültige Inbetriebnahme erfolgt dann durch Verschrauben mit dem Messumformer. Mit Anlegen der Versorgungsspannung ist der sondengeführte Radar-Füllstandmessumformer sofort funktionsbereit. Eclipse 705 wird über ein 4…20 mA-Signal in 2-Leitertechnik nach Namur-Empfehlung NE 43 versorgt. Über das überlagerte Hart/AMS-Protokoll ist auch eine bidirektionale und digitale Feldkommunikation möglich, wobei alle Parameter und Statusanzeigen an einem Laptop oder am Prozessleitsystem visualisiert und zusätzlich auf Datenträgern gespeichert werden können.

Die Radarmessumformer lassen sich auch als Überfüllsicherungen nach WHG § 19 einsetzen. Die vom Deutschen Institut für Bautechnik erteilte Zulassung erlaubt auch den invertierten Betrieb des Messumformers nach dem Ruhestromprinzip. Dabei entspricht das 0%-Leersignal 20 mA und das 100%-Vollsignal 4 mA, wobei sich als Folge das Messsystem im Gutzustand aktiv und im Alarmzustand passiv verhält. Dadurch kann der Aufwand für die Folgeschaltung minimiert werden, weil zum Beispiel eine spezielle oder zusätzliche Drahtbruchüberwachung nicht mehr erforderlich ist. Die Überfüllsicherung ist gemäß den Grenzdaten der Messsonden bis 6 m Länge bei bis zu +400 °C oder bis zu 345 bar abgenommen.

Bei der im Chemiepark Marl angesiedelten Sasol Germany GmbH wurde die Ethylenoxid-Anlage modernisiert und auf das Prozessleitsystem DeltaV umgestellt. Aus diesem Grunde sollten auch die vorhandenen pneumatischen Verdrängermessumformer zur Füllstandmessung gegen eine moderne elektronische Messtechnik in Eigensicherheit und in 2-Leitertechnik mit bidirektionaler Hart/AMS-Kommunikation ersetzt werden. Die vor Ort montierten Bezugsgefäße aus Edelstahl in PN 40 sollten aber beibehalten werden. Erschwerend kam hinzu, dass die verschiedenen Flüssigkeiten von Kohlenwasserstoff bis hin zu Glykol sich sowohl in der Dichte als auch in der elektrischen Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstante stark unterschieden. So konnte auf Grund der Verschiedenheit der Flüssigkeiten von Kohlenwasserstoffen bis hin zu Glykol alleine schon der e-Wert zwischen 1,7 und 80 schwanken. Basierend auf Erfahrungen aus der Vergangenheit, sollten aber nach Möglichkeit, wegen der vielen bewegten Teile und der proportionalen Abhängigkeit des Messwertes von der Dichte, keine Verdrängermessumformer mehr zum Einsatz kommen. Mit geführten GWR-Radarmessumformern Eclipse 705 von Magnetrol lagen zu diesem Zeitpunkt im Werk bereits positive Anwendungserfahrungen vor. Alle Hindernisse in bezug auf Messunsicherheit konnten mit dieser Technologie sicher umgangen werden. Außerdem waren für diese Messumformer auch Zulassungen in EEx ia, wie in Marl gewünscht, verfügbar.

Sasol und die als Planungsfirma beauftragte Degussa Engineering haben sich deshalb für Eclipse 705 entschieden und zwischenzeitlich sind über 80 Geräte an den verschiedenen Apparaten im Einsatz. Die Montage der Messsonden erfolgte dabei direkt von oben in die vorhandenen Bezugsgefäße (Abb. 3). Auch die elektrische Anbindung an das vorhandene DeltaV System mit 4…20 mA-Signalübertragung und bidirektionaler Hart/AMS-Kommunikation stellte kein Problem dar. Die gesamte Signalverzweigung sowie alle Geräteparameter und Statusmeldungen sind auf dem Konfigurations-Bildschirm des Leitsystems visualisierbar. Download und Upload aller Parameter ist ebenfalls möglich und erleichtert eventuelle Modifikationen, die durch Prozessumstellungen nötig werden können. In der Praxis hat sich die sehr leicht verständliche Bedienung der Eclipse-Messumformer sowie die Unabhängigkeit der Messwerte vom Medium und von den Prozessbedingungen als großer Vorteil bestätigt.

E cav 200