Kein Problem mit Zucker und Mehl

Moderne Messprinzipien wie geführtes oder freistrahlendes Radar eröffnen mittlerweile neue Möglichkeiten für eine zuverlässige Überwachung der Silostände in der Lebensmittelindustrie. Beispielsweise hat die Radartechnik bei der Messung von Milchpulver wesentliche Vorteile. Unabhängig von der Staub- und Lärmentwicklung sowie von Luftturbulenzen liefert der Radarsensor einen sicheren Messwert. Bisher kam es bei anderen Messverfahren, nicht nur bei Milchpulver, sondern auch bei Kakaopulver, zu Schwierigkeiten, weil diese Medien sehr fein sind und damit stark anhaften. Auch die sehr feine Dextrose ist problematisch für berührende Messverfahren, weil sie sich elektrostatisch stark auflädt.

Ganz anders bei der berührungslosen Radartechnik: Durch die gute Fokussierung der Mikrowellen und der Verwendung einer Schwenkhalterung kann das Messsignal gezielt auf die Produktoberfläche ausgerichtet werden. Schwankungen der Produkteigenschaften, wie der Feuchtigkeitsgehalt oder der Reifegrad, haben keinen Einfluss auf das Messergebnis.

Allerdings wird bei vielen Produkten in der Nahrungsmittelindustrie aufgrund der kleinen Dielektrizitätszahl nur ein Bruchteil der Energie an der Füllgutoberfläche reflektiert. Gleichzeitig werden viele Produkte, z. B. Mehl, in sehr hohen, schlanken Silos gelagert, um auf einer kompakten Fläche eine hohe Füllmenge zu konzentrieren und eine möglichst große Sortenvielfalt zu bevorraten. Die bisher eingesetzten Messprinzipien erreichen dabei oft ihre physikalischen Grenzen.

Auch Zucker, eines der Basisprodukte für die Nahrungsmittelindustrie, spielt den Anwendern hin und wieder einen Streich. Dadurch, dass Zucker sehr gut fließt und eine fast ebene Oberfläche bildet, wird das Messsignal häufig zur Seite weggespiegelt. Im Experiment lässt sich das sehr gut anhand eines glatten Bleches demonstrieren, bei dem aufgrund der glatten Oberfläche die gesamte Energie zur Seite reflektiert wird. Erst wenn das Blech mit einem Schleifpapier bearbeitet wird, erhält man ein eindeutiges Signal. Eine ähnliche Situation entsteht bei der Messung von Zucker. Man erhält schlecht detektierbare Signale.

Kommen noch Störsignale, etwa durch umlaufende Schweißnähte in den Silos hinzu, führt dies zu unsicheren Messsignalen. Mithilfe von moderner Software und Algorithmen lässt sich dem zwar einiges entgegensetzen, manchmal setzt jedoch die Physik einfach ihre Grenzen.

Genau für solche Messungen hat das Schil- tacher Unternehmen Vega den Vegapuls 69 entwickelt, der im vergangenen Jahr auf den Markt gekommen ist. Das Füllstandmessgerät arbeitet mit einer Frequenz von 79 GHz, womit eine deutlich höhere Fokussierung des Sendesignals möglich ist. Vor allem bei schmalen Behältern mit Einbauten hilft die gute Fokussierung, das eigentliche Messsignal von Störsignalen besser zu trennen. Mit den neuen Mikrowellenkomponenten können selbst kleinste Reflexionssignale noch erfasst werden. Die Fokussierung ist das A und O für eine sichere und zuverlässige Messung. Davon profitieren alle Anwendungen, die sehr geringe Reflexionen liefern.

Ein idealer Einsatzort für das Füllstandmessgerät sind die hohen Silos in der Nahrungsmittelindustrie. Dank der hervorragenden Signalbündelung ist selbst eine Messung in einem mehr als 15 m hohen Silo mit einer Grundfläche von 1 m2 möglich. Der Vegapuls 69 erfasst sicher die Füllhöhe des Mediums. Dies liegt vor allem an dem geringen Öffnungswinkel. Der Öffnungswinkel der abgestrahlten Radarener-gie und damit auch die Fokussierung hängen von zwei Faktoren ab: der Sendefrequenz und der wirksamen Antennenfläche. Das bedeutet, dass mit einer höheren Frequenz bei gleicher Antennengröße eine deutlich bessere Fokussierung erreicht wird. Der Vegapuls 69 arbeitet mit einer Sendefrequenz von 79 GHz und einer Antennengröße von 75 mm. Dadurch wird ein Öffnungswinkel von nur 4° erreicht. Zum Vergleich: Bei einem Radarsensor mit 26-GHz-Sendefrequenz beträgt der Öffnungswinkel etwa 10° bei gleicher Antennengröße. Dagegen geht der 79-GHz-Strahl an Einbauten oder Anhaftungen der Behälterwand vorbei, das macht die Messung sicherer und zuverlässiger. Durch die bessere Fokussierung kann außerdem bis in den Abzugstrichter gemessen werden – dies verbessert die Siloausnutzung.

Auch bei sehr feinen Medien, wie dem beschriebenen Zucker, hat die höhere Frequenz Vorteile. Durch die kleinere Wellenlänge der Radarsignale erscheinen die feinen Zuckerkristalle größer und die Signale werden nicht wie bei einem Spiegel zur Seite reflektiert, sondern in alle Richtungen zurückgestrahlt. Dadurch kommt deutlich mehr Energie am Sender an und eine sichere Messung ist möglich.

Der Vegapuls 69 steht in zwei Ausführungen zur Verfügung. Mit einfacher und leichter Kunststoffantenne aus PP und einer im Flansch integrierten Linsenantenne. Die Antennen sind unempfindlich gegen Ablagerungen. Ein Spülluftanschluss ist integriert, allerdings in den meisten Fällen nicht nötig. Die Flanschausführung besitzt eine Schwenkhalterung aus hochwertigem Edelstahl, mit der sich die Antenne bequem einstellen lässt, sodass der Sensor optimal in einem Bereich von ±10° ausgerichtet werden kann. Inspiriert von der Wasserwaagen-App haben sich die Vega-Ingenieure etwas Besonderes einfallen lassen. Sie entwickelten eine App, mit deren Hilfe der Neigungswinkel für die Installation des Messgerätes eingestellt werden kann. Dafür wird das Smartphone einfach auf das Gerät gelegt, sodass sich der Sensor schnell und optimal ausrichten lässt.

Neben der besseren Fokussierung und der höheren Dynamik zeichnet sich der Vegapuls 69 zudem durch einen deutlich breiteren Anwendungsbereich aus. Besonders bei Anwendungen, in denen sehr unterschiedliche Medien gelagert werden, bietet die universelle Einsatzmöglichkeit des Sensors wesentliche Vorteile. So werden in der Lebensmittelindustrie die Silozellen oft mit verschiedenen Produkten, die ganz unterschiedliche Reflexionseigenschaften besitzen, befüllt. Ein typisches Beispiel ist Kleie, die sehr kleine Dielektrizitätszahlen hat. Der Vegapuls 69 misst selbst diese leichten Getreideprodukte und erkennt die unterschiedlichen Produkte zuverlässig. Auch Mehle besitzen häufig unterschiedliche Feuchten. Diese verschiedenen Medien mit einem einzigen Füllstandmessgerät zu messen, war oft eine Herausforderung für die Messtechnik. Der Vegapuls 69 kommt aufgrund seines breiten Anwendungsbereiches auch mit diesen Anforderungen zurecht. Mit einem Messbereich bis zu 120 m und einer Genauigkeit von ±5 mm bietet er zudem genügend Leistungsreserven – selbst in hohen Silos werden saubere Messergebnisse erzielt.

Halle 11.1, Stand C63

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