Vom ersten bis zum letzten Tropfen

Keine Technologie zur Füllstandmessung eignet sich gleichermaßen perfekt für alle Anwendungen. Viele Messgeräte haben beispielsweise Probleme, den Füllstand bis zur Oberkante des Tanks präzise zu messen. Moderne GWR-Systeme schaffen das, was besonders dann von entscheidender Bedeutung ist, wenn Medien stark ätzend, toxisch oder auf andere Weise gefährlich sind.

Die Fähigkeit, den Füllstand bis zur Oberkante eines Behälters messen zu können, wird häufig als Überfüllsicherung bezeichnet. Europä-ische Prüfinstitute wie TÜV oder Vlarem bescheinigen den Überfüllschutz. Dazu muss der zuverlässige Betrieb bei Prüfbedingungen nachgewiesen werden. Die Analysen der Institute basieren auf der Annahme, dass die Anlage so ausgelegt ist, dass der Behälter oder das seitlich montierte Bezugsgefäß nicht überfüllt werden können. Es gibt jedoch praktische Anwendungen, bei denen eine GWR-Sonde vollständig bis zum Prozessanschluss in die Flüssigkeit eingetaucht ist (Dichtfläche des Flansches). GWR-Sonden verfügen an der Spitze über eine Übergangszone (oder eine Totzone), an der interagierende Signale entweder die Linearität der Messung beeinflussen oder zu einem vollständigen Verlust des Signals führen können. Einige Hersteller setzen spezielle Algorithmen ein, um darüber die Füllstandmessung „abzuleiten“, wenn diese unerwünschte Signalwechselwirkung auftritt und das tatsächliche Füllstandsignal verloren geht. Das fortschrittliche Design der Ausführungen Eclipse 705 und 706 ermöglicht eine andere Lösung. Es basiert auf einem Konzept mit dem Namen Overfill Safe Operation (Betrieb mit Überfüllsicherung) und definiert eine überfüllsichere Sonde dadurch, dass sie über die gesamte Länge der Messsonde eine vorhersagbare und gleichmäßige charakteristische Impedanz aufweist. Damit kann die Sonde jederzeit den tatsächlichen Füllstand messen. Diese Sondenausführung ermöglicht die akkurate Messung von Füllständen bis zum Prozessflansch – ohne irgendwelchen nicht messbaren Zonen an der Spitze der GWR-Sonde. Überfüllsichere GWR-Sonden können als Koaxialsonden am Behälter an beliebiger Stelle installiert werden. Generell ist ein umfassendes Sortiment an Koaxial- und Bezugsgefäß-Versionen erhältlich.

Sattdampfanwendungen decken eine der theoretischen Schwächen des Radars auf. Die Radartechnologie hat sich als erfolgreiche Technologie zur Füllstandmessung bewährt, weil sie Flüssigkeiten messen kann, deren Eigenschaften, beispielsweise der Epsilonwert, sich drastisch ändern, oder deren Dichtebedingungen konventionelle Technologien wie Druckzellen und Verdrängermessumformer vor Genauigkeitsprobleme stellen. Grund dafür ist, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen aus der Division der Lichtgeschwindigkeit durch die Quadratwurzel des Epsilonwerts (des Dampfraums) errechnet. Die typischen Prozessbedingungen wirken sich auf diese Formel kaum aus, bis man den Bereich der zur Energieerzeugung eingesetzten Hochtemperatur-/Hochdruckwasser-(Dampf)-Anwendungen betrachtet. Während die Temperatur des gesättigten Dampfes im Kessel und Speisewasservorwärmer dieser Anwendungen ansteigt, steigt auch die Dielektrizitätskonstante des Dampfraums des polaren Gases an. Dieser Anstieg des Epsilonwerts des Dampfraums verursacht eine Verzögerung der GWR-Signalausbreitungszeit beim Weg des Signals durch die Sonde, wodurch der Flüssigkeitsfüllstand niedriger zu sein scheint als er tatsächlich ist.

Der mit dieser Ausbreitungsverzögerung in Zusammenhang stehende Messfehler hängt von der Temperatur ab und ist eine Funktion der Quadratwurzel des Epsilonwerts des Dampfraums. So würde eine Anwendung ohne Ausgleich mit +230 °C einen Füllstandfehler von ca. 5,5 % anzeigen; bei einer Anwendung mit +315 °C betrüge der Fehler nahezu 20 %.

Das GWR-Gerät Eclipse 706 hält dafür eine Lösung bereit. Durch den Einsatz eines mechanischen Dampfziels, das 250 bis 500 mm vom oberen Ende einer Einstabsonde angebracht ist, können die Auswirkungen der sich ändernden Dampfbedingungen ausgeglichen werden. Durch den Einsatz einer Koaxialsonde, die Messungen näher an der Oberkante ermöglicht, konnte dieser Abstand bei einigen weiterentwickelten Systemen, auf 125 mm reduziert werden. Die genaue Kenntnis der Position, an der das Ziel sich bei Raumtemperatur befindet, und die anschließende kontinuierliche Überwachung seiner scheinbaren Position gestatten eine Rückberechnung des Epsilonwerts des Dampfraums. Die Kenntnis des Epsilonwerts des Dampfraums ermöglicht wiederum einen präzisen Ausgleich des tatsächlichen Füllstands.

In vielen Industriebereichen kommen Trennschichtanwendungen vor, die zwei nicht mischbare Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dichte enthalten. Besonders in der Öl- und Gasindustrie gibt es zahllose Öl/Wasser-Behälter, in denen die Trennung entscheidend ist. Wasser kann als große Flüssigkeitsmenge in den ursprünglichen Felsformationen auftreten, aus denen auch die Kohlenwasserstoffe stammen, oder als kleine Menge, die im Laufe der Zeit auskondensiert. Oft ist es von Vorteil, sowohl den Kohlenwasserstoff, der nach oben steigt, als auch das Wasser, das sich am Boden absetzt, zu messen Der GWR-Messumformer Eclipse kann sowohl den oberen Flüssigkeitsfüllstand als auch den Trennschichtfüllstand messen. Da nur ein Teil des Impulses von der Oberfläche der Flüssigkeit mit niedrigem Epsilonwert reflektiert wird, läuft ein gewisses Maß an Energie entlang der GWR-Sonde durch die obere Flüssigkeit. Der restliche Startimpuls wird reflektiert, wenn er die untere Flüssigkeit mit dem höheren Epsilonwert erreicht. Dazu muss in der Regel die obere Flüssigkeit einen Epsilonwert von weniger als 10 und die untere Flüssigkeit einen Epsilonwert über 15 aufweisen. Eine typische Anwendung wäre Öl auf Wasser, wobei die obere Schicht (Öl) nichtleitend (r ≈ 2,0) und die untere Schicht (Wasser) stark leitend ist (r ≈ 80). Eclipse kann die obere Schicht ab einer Dicke von 50 mm exakt erfassen; die maximale Ausdehnung der oberen Schicht ist auf die Länge der GWR-Sonde begrenzt.

Ein Faktor bei Trennschichtanwendungen sind Emulsionsschichten. Bei Anwendungen mit einer Emulsionsschicht (auch Schwarzwasser-Schicht genannt) von bis zu 10 cm Dicke, erkennt Eclipse die Trennschicht zwischen Emulsion und Wasser. Bei Anwendungen mit einer Emulsionsschicht von mehr als 10  cm Dicke, neigt Eclipse dazu, die oberste Schicht der Emulsion (die Trennschicht zwischen Öl und Emulsion) zu erkennen.

GWR hat sich weltweit zu einem gängigen Verfahren für die Füllstandmessung entwickelt. Mit der Ausführung Eclipse 706, stellt Magnetrol einen Messumformer zur Verfügung, der effektiv und zuverlässig bis zur Prozessdichtung der Sonde misst. Mit speziellen gebogenen Sonden können diese Messumformer den Füllstand in einem Tank beinahe bis zum letzten Tropfen Flüssigkeit messen. Das macht sie auch für Branchen wie die Pharmaindustrie interessant, die extrem hochwertige Produkte verarbeiten.

Aufgrund der einfachen Installation und seiner Leistungsfähigkeit bei wechselnden Prozessbedingungen hat sich der Eclipse 706 in schwierigen Anwendungen bewährt, wird aber ebenso für einfache alltägliche Füllstandmessungen eingesetzt.

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Senior Global Product Manager,Magnetrol International