Bei einer Vielzahl von Reaktionsprozessen ist es aus prozesstechnischen oder hygienischen Gründen bzw. aus Sicht des Umweltschutzes von entscheidender Bedeutung, dass die im Reaktor oder im Lagertank befindlichen Substanzen nicht mit der Umgebung in Berührung kommen. Dies stellt für die industrielle Füllstandmesstechnik eine nicht zu unterschätzende Herausforderung dar, da die Füllstände in den entsprechenden Behältern genau bekannt sein müssen, um eine kontinuierliche Prozessführung zu gewährleisten.
Dr. K. Kluger
Die Messung von Füllständen ist eine fundamentale Größe in nahezu jedem Prozess; dies gilt für den Lagertank, dessen Überfüllung oder Leerlaufen zu Ausfallzeiten führen kann, ebenso wie für einen Produktionsprozess. Einfach zu handhabende Flüssigkeiten wie wässrige Lösungen kommen dabei mit Ultraschallsystemen aus, die kostengünstig die notwendige Messgenauigkeit liefern. Gasen die Substanzen aus oder neigen sie zur Schaumbildung an der Oberfläche, stoßen Ultraschallmesssysteme an ihre Grenzen, da die ausgesandten Signale durch die auftretenden Hindernisse geschwächt werden. Hier gelangen bevorzugt Radarmessungen zum Einsatz, da sie weniger empfindlich auf Störungen reagieren. Die technisch einfacheren, gepulsten Radargeräte, arbeiten dabei ähnlich wie die Ultraschallgeräte, indem sie ein Signal aussenden und wie beim Echolot über die Laufzeit die Entfernung zur Flüssigkeitsoberfläche ermitteln.
Radarmessung mit FMCW-Technik
Technisch aufwändiger, aber auch genauer arbeiten Radargeräte mit FMCW-Technik (Frequency Modulated Continuous Wave). Hier wird eine Frequenzrampe ausgesendet und die entstehende Differenzfrequenz zwischen ausgesandtem und empfangenem Radarsignal ausgewertet. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die auszuwertenden Signale im kHz- und nicht im MHz-Bereich liegen, was eine größere Genauigkeit in der Auswertung zulässt. Gemeinsam ist aber bei allen beschriebenen Systemen die invasive Messung des Füllstandes, d. h., dass sie üblicherweise über einen Prozessanschluss mit der zu messenden Substanz in direktem Kontakt stehen und der Prozess somit nicht in sich abgeschlossen ist.
Für die Feldgeräte bedeutet dies erhöhte Anforderungen an die mit dem Prozess in Kontakt stehenden Teile. Für Hygieneanwendungen, wo 3A- und EHEDG-Zulassungen verlangt werden, kommen im Bereich der Füllstandmessung (Überfüllsicherung) mit Vibrationsgrenzschaltern spezielle, handpolierte Materialien mit einer Oberflächenrauigkeit (Ra) unter 32 µm zum Einsatz.
Nicht-invasive Messung
Schwierig wird es jedoch, wenn, wie bei einem britischen Unternehmen, die Füllstände aggressiver Halogenverbindungen in Lager- und Prozesstanks gemessen werden müssen. Natriumbromide, -hypochlorite und -polysulfide bilden nicht nur sehr giftige Dämpfe aus, die keineswegs in die Umwelt gelangen dürfen, sondern über den stark ausgasenden Flüssigkeiten entwickeln sich auch explosionsfähige wasserstoffhaltige Gasgemische, die eine unbedingte Prozessabdichtung erforderlich machen. Aufgrund der schweren Dämpfe und des invasiven Messverfahrens scheiden Ultraschallverfahren, kapazitive Füllstandsmessungen und Radar-Füllstandsmessungen mit konventionellen Stab- oder Horn-antennen aus.
Als Lösung für nicht-invasive Messungen bietet sich bei solchen Applikationen die Prozessabdichtung des Radargerätes Mobrey MRL 700 FMCW von Solartron an. Zwischen Behälter und Radargerät wird dabei eine Dichtung gesetzt, die für Mikrowellen durchlässig ist, aber den Prozess selbst nach außen abdichtet. Je nach Prozesstemperatur und Druckverhältnissen kommen dabei verschiedene Materialen zum Einsatz, die in einer Art Sandwichverfahren zur Erzielung der gewünschten Stabilität übereinander gelegt werden können. Selbst wenn das Radargerät entfernt werden sollte, bleibt die Prozessabdichtung auf dem Behälter und stellt so die Integrität des Prozesses sicher. Auf diese Weise können auch in geschlossenen Prozessen Füllstände zuverlässig gemessen werden.
Im beschriebenen Anwendungsfall war die Wahl des Dichtungsmaterials kritisch, da das als Standard verwendete PTFE von freiem Brom angegriffen worden wäre. Man entschied sich daher für Polyvinylidinfluorid PVDF (Handelsname: Kynar), das die erforderliche Stabilität aufweist und eine kontinuierliche Füllstandmessung mit dem MRL 700 erlaubt. 14 Messstellen sind zwischenzeitlich auf diese Weise ausgestattet worden und liefern dank der genauen FMCW-Messtechnik kontinuierlich Messwerte des aktuellen Füllstandes.
Einfache Inbetriebnahme
Die einfache Inbetriebnahme, Wartung und Kommunikation mit Feldgeräten, die wie im vorliegenden Fall auf Tanks und damit oft schlecht zu erreichen sind, ist für den Anwender von erheblicher Bedeutung. Dank der Windows-basierenden Installationssoftware H-Conf 401 von Solartron Mobrey vereinfacht sich die Inbetriebnahme von Hart-fähigen Feldgeräten erheblich. Vom PC, einer Unix-Workstation oder von einem tragbaren Palm PDA (HPC 301) aus, können nicht nur die leistungsfähigen Ultraschall-, Radar-, Verdränger- und Drucktransmitter der Solartron-Mobrey-Familie auf einer einheitlichen Benutzeroberfläche programmiert, installiert und überwacht werden, sondern auch Hart-kompatible Feldgeräte anderer Hersteller.
Die Software wird auf CD-ROM zusammen mit einem Zugangsschlüssel und einem Hart-Modem geliefert (USB oder serielle Schnittstelle). Konfigurationen können entweder offline für einen späteren Download zum Feldgerät oder online von jedem Punkt innerhalb des Messkreises ausgeführt werden. Die Konfigurationsdateien werden elektronisch für spätere Nachprüfungen gespeichert, ferner gibt es eine Kopierfunktion zur schnellen Konfiguration gleicher Geräte. Zudem bietet die integrierte Grafiksoftware die Möglichkeit, eine Reihe von Gerätevariablen und Trends auf frei skalierbaren Achsen grafisch darzustellen. Die Daten werden im ASCII-Format abgespeichert und können so einfach in gängigen Programmen wie Excel oder Word weiterverwendet werden.
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