Blick ins Innere

Dr. Santer zur Horst-Meyer, Diplom-Physiker Hans-Joachim Münch

Insbesondere im pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Bereich hat die Einführung und Durchsetzung internationaler hygienischer Grundregeln und Standards bei der Herstellung dazu geführt, dass gezielt Verfahren zum Einsatz gelangen, die keine Produktberührung haben. Eine wesentliche Technologie ist hierbei der Einsatz von Ultraschallverfahren, wie sie von der Sonotec entwickelt wurden, die durch die Behälter- und Rohrwände hindurch messen. Das Funktionsprinzip basiert auf der Ausbreitung von hochfrequenten Ultraschallwellen durch die Behälterwand und die Flüssigkeit. Die so genannte Laufzeit des Schallimpulses in Verbindung mit den Einsatzparametern ergibt den Füllstandwert im Behälter. Da die Technik sowohl für die kontinuierliche Messung als auch für die Grenzstandmessung eingesetzt werden kann, werden diese Fälle im einzelnen betrachtet.

Der Ultraschallwandler wird hierbei direkt außen am Boden des Behälters montiert. Die Flüssigkeits-/Luft bzw. Flüssigkeits-/Flüssigkeitsgrenzschicht reflektiert die Signale zurück zum Sensor. Der Behälterfüllstand ist proportional zur Schalllaufzeit und wird beeinflusst von Parametern wie Wandstärke, Produktart und Temperatur. Ein entsprechender Softwarealgorithmus verarbeitet diese Variablen und bestimmt den Füllstand. Bild 1 zeigt die Ultraschallsignale in Abhängigkeit von der Zeit. Teile des Sendeimpulses erzeugen Mehrfach-echos in der Behälterwand. Da der Sensor auch diese aufnimmt, werden sie durch die so genannte Totzeit unterdrückt. Das bedeutet gleichzeitig, dass eine Messung bis absolut Null nicht möglich ist. Durch eine hohe Qualität der Ultraschallsonden kann diese jedoch minimiert werden.

Der in Frage kommende Messbereich wird durch die Geräteeinstellung eingegrenzt, so dass nur Echos innerhalb dieses Bereiches ausgewertet werden. Die Schalllaufzeit wird mit Hilfe des Parameters Schallgeschwindigkeit in den Füllstand umgerechnet. Da die Schallgeschwindigkeit vom Produkt und in bestimmtem Maße von der Konzentration des Produktes und seiner Temperatur abhängig ist, wird dies bei hohen Genauigkeitsanforderungen durch eine entsprechende Kompensation berücksichtigt.

Bei Behältern mit unterschiedlichen Flüssigkeiten, verschiedenen Konzentrationen oder Reaktionen verändern sich die akustischen Übertragungseigenschaften. Bei diesen Applikationen wird über ein zweikanaliges Gerät eine Referenzmessung installiert, die alle akustischen Veränderungen direkt erfasst. Die damit gewonnenen Werte fließen direkt in die Füllstandmessung mit ein.

Die Ausgabe der Messwerte kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Einerseits durch die Umsetzung des prozentualen Füllstandes in ein standardisiertes Stromsignal, andererseits auch über eine Schnittstelle. Die Ausgabe von Volumenwerten ist über die Auswahl von Standardbehälterformen bzw. über Litertabellen möglich. Einsatzgebiete der kontinuierlichen Messtechnik finden sich an Druckvorlagebehältern (Bild 2) oder Mobilbehältern (Bild 3).

Bei der Grenzstandmessung auf der Grundlage der Sonocontrol-Technik wird der Sensor außen am Behälter in der Höhe des zu kontrollierenden Niveaus seitlich angebracht. Der Ultraschallimpuls durchdringt die Behälterwand und breitet sich durch die Flüssigkeit aus. Je nach Betriebsart, die zum Einsatz gelangt, wird entweder der reflektierte Impuls zu dem selben Sensor zurückreflektiert bzw. durch einen auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters befindlichen zweiten Sensor (Durchschallung/Transmission) aufgenommen. Die Gerätesoftware besitzt eine einstellbare Integrationsfunktion, um Hystereseeffekte des Schaltausganges zu vermeiden. Der Messwertumformer unterstützt die beiden Betriebsarten Impuls-Echo-Mode mit einem Sensor und Impuls-Transmissions-Mode mit zwei Sensoren.

Bei der Impuls-Echo-Mode mit seitlicher Sensorbefestigung erfolgt die Befestigung des Sensors in der Höhe des Schaltpunktes am Behälter. Wenn das Gefäß bis zum Schaltpunkt mit der Flüssigkeit gefüllt ist, empfängt der Sensor das reflektierte Echo. Befindet sich keine Flüssigkeit an dem Schaltpunkt, wird kein Echo erzeugt. Der Nachweis des Signals erfolgt über die Einstellung eines Messtores entsprechend den Abmessungen des Behälters.

Folgende Randbedingungen müssen für die Anwendung gegeben sein:

Es ist zu beachten, dass mit steigender Viskosität der Flüssigkeit die Dämpfung der Ultraschallwellen steigt und sich damit die Reichweite verringert.

Bei der Transmissions-Mode-Methode werden zwei Sensoren an den gegenüberliegenden Seiten des Behälters oder Rohres montiert. Der eine Sensor arbeitet hierbei als Sender, der andere Sensor als Empfänger. Die Auswertung des Signals erfolgt zum Beispiel über einen zweikanaligen Messwertumformer Sonocontrol 20. Diese Methode findet vorrangig Anwendung bei stärker schallabsorbierenden Flüssigkeiten bzw. Produkten mit einem Gasblasen- oder Feststoffgehalt, bei Behältern mit Durchmessern bis zu 20 m und bei Rohrleitungen mit kleinen Rohrdurchmessern.

Ein wesentliches Einsatzgebiet der Grenzschalter erfolgt an Entlüftungsleitungen von Anlagen oder Filtern, als Leerlaufkontrolle von Behältern und Rohren nach Entleerungs- oder Reinigungsprozessen. Weiterhin werden diese Systeme an Abfüllanlagen zum Nachweis der Blasenfreiheit des Mediums bzw. zur Restmengenerfassung eingesetzt (Bild 4).

Trennschichten in Flüssigkeiten entstehen durch die unterschiedlichen Dichten der einzelnen Medien. Das hat unter anderem zur Folge, dass sich auch die ultraschallakustischen Eigenschaften ändern. Diese Änderungen werden sowohl bei der kontinuierlichen Messung als auch bei den Trennschichtschaltern eingesetzt.

Beispiele für den Einsatz sind u. a. Benzin auf Wasser, Flüssiggas auf Wasser oder Fettsäure auf Wasser/Glycerin.

Wie bei den oben beschriebenen Verfahren der kontinuierlichen bzw. der Grenzstandsmessung werden die Sensoren außen am Boden oder an der Behälterwand montiert. Die Parameter der Systeme werden so eingestellt, dass nur die Grenzschichten erfasst werden.

Der wesentliche Durchbruch für den breiten Erfolg der Technik der medienberührungslosen Ultraschall-Füllstandmesstechnik der Sonometer/Sonocontrol-Familie wurde durch die Entwicklung leistungsfähiger, für die Messaufgaben optimierter Ultraschallsonden und anwendungsorientierter Software erreicht. Die Auswahl der Sonden hängt von verschiedenen Faktoren ab wie der Gefäßgeometrie, dem Material des Behälters und der Art der Flüssigkeit.

Die Art der Befestigung und die akustische Ankopplung der Sensoren ist für die zuverlässige Funktion der Technik von Bedeutung. Deshalb sind einige Punkte bei der Montage der Sensoren zu berücksichtigen. Die Oberfläche an der Stelle der Sensorankopplung muss plan und ohne große Rauigkeiten sein. Farbanstriche sollten möglichst entfernt werden, zumindest müssen sie fest an der Behälterwand haften. Durch die Verwendung eines speziellen, akustisch transparenten Koppelmittels lassen sich bis zu einem gewissen Grad Unebenheiten ausgleichen.

cav 443