Füllstand von flüssigen Produkten mit Radar und 80 GHz messen

Kompromisslos exakt und hygienisch

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Die Lebensmittelindustrie stellt – insbesondere bei der Verarbeitung von Milchprodukten – inzwischen fast ähnlich hohe Anforderungen an die Hygiene wie die Pharmabranche. Das Radarfüllstandmessgerät Vegapuls 64 erfüllt jedoch nicht nur die gestiegenen hygienischen Anforderungen, sondern bietet noch weitere Vorteile.

Rohmilch gehört mit zu den empfindlichsten Basisprodukten der Lebensmittelindustrie. Sie wird daher bei einer Temperatur von ca. 4 °C gelagert und ständig leicht gerührt, bis sie der weiteren Produktion zugeführt wird. Ein leichter Überdruck schützt die Milch vor Keimbefall. Ein Füllstandsensor dient zur Erfassung des Tankinhalts und verhindert eine Überfüllung der Tanks. Radarfüllstandmessgeräte sind eigentlich für solche Anwendungen besonders gut geeignet. Sie messen berührungslos und erfüllen so optimal die hygienischen Voraussetzungen. Schwie-rigkeiten – zumindest aus messtechnischer Sicht – bereiten jedoch Rührwerke oder auch Kühlschlangen, da sie zu Störreflexionen führen können. Die Sensoren mussten bisher oft mithilfe einer Störsignalausblendung an die Einbausituation angepasst werden.

Frontbündig gekapselte Antenne
Für solche Anwendungen wurde das Radarfüllstandmessgerät Vegapuls 64 entwickelt. Dabei handelt es sich um das erste Radarfüllstandmessgerät für Flüssigkeiten auf dem Markt, das mit der hohen Frequenz von 80 GHz arbeitet – bisher waren 26 GHz üblich. Die frontbündig gekapselte Antenne ist optimal zu reinigen und unempfindlich gegen die extremen Bedingungen der SIP- und CIP-Prozesse. Damit erfüllt der Vegapuls 64 die hygienischen Anforderungen spielend.
Außerdem lässt sich dank hoher Fokussierung eine hohe Messgenauigkeit erzielen und zwar auch bei sehr hohen Behältern mit Einbauten und Rührwerken. Zum besseren Verständnis: 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 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.
Passt sich wechselnden Medien an
Typisch für die Lebensmittelindustrie sind kleine Abfülltanks mit etwa 1 m Höhe und 0,6  m Durchmesser, die die Füllköpfe der Abfüllanlagen versorgen. Die Produktpalette reicht von Marmelade über Erdnussbutter bis hin zum Schokoladenaufstrich. Ebenfalls typisch ist, dass diese Medien sich in Viskosität und Temperatur unterscheiden und sich die Dichte von Medium zu Medium ändert.
Weiteres Beispiel ist die Aromenindustrie, in der ebenfalls Behälter mit kleinen Abmessungen und vielen Einbauten zum Einsatz kommen. Diese werden mehrmals täglich beim Chargenwechsel gereinigt. Man benötigt also eine flexible Füllstandmessung, die unabhängig von Prozessparametern wie Temperatur und Druck sowie der Flüssigkeitsdichte misst und sich einfach an wechselnde Bedingungen anpassen lässt – eine Anforderung, die das Radarfüllstandmessgerät Vegapuls 64 problemlos erfüllt.
In der Lebensmittelindustrie ist der Trend zu kleinen Chargen unverkennbar, daher werden Behälter und Apparate immer kleiner. Die Radarmesstechnik stieß jedoch in diesen Fällen immer wieder an ihre Grenzen, die vor allem baulicher Natur waren. Dazu zählten die Blockdistanz des Sensors (also der Abstand zwischen Prozessanschluss und Flüssigkeitsoberfläche), die Größe und das Design der Antennen oder auch die Messunsicherheit am Behälterboden bei Medien mit schlechten Reflexionseigenschaften wie Speiseöl.
Deutlich kleinere Antennen
Und hier zeigt sich der besondere Vorteil des Vegapuls 64. Die Fokussierung des Radarsignals bewährt sich nicht nur bei Einbauten wie Rührwerken. Darüber hinaus können auch sehr kleine Prozessanschlüsse verwendet werden. Denn: Durch die um den Faktor 3 höhere Sendefrequenz können die Antennengrößen um denselben Faktor kleiner werden und erzielen trotzdem eine ähnliche Signalfokussierung wie bisher. Dadurch sind wesentlich kleinere Prozessanschlüsse mit einer Antennengröße von nur ¾“ möglich. Dies entspricht gerade mal der Größe eines 1-Euro-Stückes.
Unempfindlich gegen Anbackungen
Ein interessantes Beispiel ist die Herstellung von Schmelzkäse, bei der verschiedene Käsesorten in einem Mischbehälter vermengt und geschmolzen werden. Die Herausforderung: Der Käse lagert sich an den Behälterwänden ab und wird dort abgeschabt. Selbst bei diesen Anbackungen misst der Füllstandsensor Vegapuls 64 sicher und zuverlässig. Trotz der deutlich kürzeren Wellenlänge und der hohen Sendefrequenz des Gerätes ist der Sensor sehr unempfindlich gegenüber Ablagerungen oder Kondensatbildung. 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 im Prozessanschluss ein gekapseltes Antennensystem integriert wurde, ist eine sehr gute Reinigbarkeit sichergestellt.
Bei der bisher verwendeten Sendefrequenz von 26 GHz war es oft schwierig Medien mit schlechten Reflexionseigenschaften wie Speiseöle mit einer hohen Genauigkeit nahe am Behälterboden zu messen. Hier liegt ein besonderer Vorteil eines Radarsensors mit 80 GHz. Dazu muss man wissen: Bei Medien mit kleinen Dielektrizitätszahlen durchdringt ein Teil der Signale das Medium und wird von dem darunterliegenden Behälterboden reflektiert. Somit bekommt man zwei Signale: eines von der Medienoberfläche (Füllstand) und eines von der Reflexion am Behälterboden.
Messung bis zum Behälterboden
Die Signale des Bodens sind dabei umso größer, je geringer die Dielektrizitätszahl des Mediums und je besser der Boden des Behälters reflektiert (z. B. flacher Metallboden). Durch die deutlich kürzere Wellenlänge der 80-GHz-Signale des Vegapuls 64 werden diese im Medium erheblich stärker gedämpft als bei 26-GHz-Sensoren. Dadurch ist die Reflexion am Behälterboden deutlich geringer. Das hat zur Folge, dass eine Messung bis zum Behälterboden deutlich einfacher möglich ist als mit bisherigen Sensoren.
Da das Antennensystem in den Prozessanschluss integriert wurde, ragt keine Antenne in den Behälter hinein. Es ist also auch möglich, bis nahe an den Prozessanschluss zu messen. Damit lässt sich das Behältervolumen besser ausnutzen und schafft mehr Flexibilität.
Vor rund eineinhalb Jahren brachte Vega mit großem Erfolg ein hochfrequentes Radarfüllstandmessgerät für Schüttgüter auf den Markt. Dieses Gerät wurde seitdem in über 10 000 Anwendungen weltweit installiert. Dabei überzeugt es vor allem bei Anwendungen mit Einbauten, die wiederum viele Störsignale erzeugen. Bei der Entwicklung des Vegapuls 64 wurden von diesem Gerät wesentliche Komponenten übernommen, sodass der Anwender sich auf die bewährte Vega-Zuverlässigkeit verlassen kann. Der Vegapuls 64 arbeitet jedoch mit einer Bandbreite von 4 GHz, sodass eine noch schärfere Trennung der verschiedenen Echosignale möglich ist.
Einfache Installation
Die Radarfüllstandmessgeräte verfügen über alle gängigen Prozessanschlüsse. Damit lässt sich der neue Sensor einfach auf dem vorhandenen Anschluss installieren. Selbst vorhandene Stutzen stellen kein Problem dar. Dies ist vor allem in der Lebensmittelindustrie interessant, da hier die Anlagen und Apparate abgenommen sind und eine nachträgliche bauliche Veränderung nur mit hohem Aufwand möglich ist. Ein Beispiel ist die Herstellung von Kaugummirohmasse (Polyvinylacetat). Diese erfolgt in einem Reaktionsbehälter mit vierstöckigem Rührwerk. Die Reaktion der verschiedenen Grundstoffe setzt ein, wenn diese durch das Rührwerk vermischt werden.
Neben den bereits erwähnten Vorteilen, wie der guten Fokussierung trotz Rührwerk, überzeugt hier vor allem die einfache Installation. Der Sensor kann auf einem bestehenden Kugelhahn installiert werden. Da letzterer selbst große Störreflexionen im Nahbereich verursacht, führte dies immer zu Einschränkungen bei der Messung. Die relativ kleinen Echos der Medien konnten durch das starke Rauschen im Nahbereich nicht optimal erfasst werden. Beim Vegapuls 64 ist der Einfluss durch den Kugelhahn deutlich geringer, da der Sensor über eine erheblich bessere Signalbündelung verfügt und so der Stutzen und Kugelhahn erheblich weniger reflektieren.
Die Gewindeausführungen können mit entsprechenden Adaptern, z. B. auf Clamp-Verbindungen adaptiert werden. Dies ist für eine Vielzahl von Anwendungen eine optimale Lösung. Für den Einsatz im Aseptikbereich stehen weitere Prozessanschlüsse zur Verfügung, bei denen nur PTFE als medienberührender Werkstoff dient. Diese Prozessanschlüsse erfüllen die Anforderungen nach 3A, FDA und EHEDG.
Bedienung wie gewohnt
Ein gewohntes Bild ergibt sich bei der Bedienung. Die Radarfüllstandmessgeräte Vegapuls 64 sind Teil der bewährten Geräteplattform Plics von Vega. So dient wie gewohnt das Anzeige- und Bedienmodul Plicscom zur Inbetriebnahme und Bedienung der Sensoren und zeigt die Messwerte vor Ort an. Das Anzeige- und Bedienmodul kann jederzeit in den Sensor eingesetzt und wieder entfernt werden, ohne die Spannungsversorgung zu unterbrechen. Die optionale Bluetooth-Funktion ermöglicht es, alle Sensor über eine App aus einer Entfernung von ca. 25 m drahtlos mit dem Smartphone oder Tablet zu bedienen.

Jürgen Skowaisa
Produktmanagement Radar,Vega Grieshaber


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