Einmal geführt – zweimal detektiert

Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Perenthaler

Sollen in einem Behälter von zwei sich trennenden Medien mit einer mehr oder weniger klaren Trennstelle die jeweiligen Füllhöhen gemessen werden, so spricht man von einer Trennschichtmessung. Öl auf Wasser, Abscheider von Lösemitteln sowie Rückgewinnung von Rohstoffen aus der Produktion sind typische Aufgaben für ein Messsystem zur Erfassung zweier Füllstände in einem Behälter. Die dafür eingesetzte Messtechnik basiert immer auf den physikalischen oder chemischen Unterschieden zwischen den beiden Medien. Schwimmer- und Verdrängersysteme arbeiten mit den unterschiedlichen Mediumdichten, Laser mit der mediumspezifischen Brechzahl des Lichtes und radiometrische Systeme mit dem Absorptionsverhalten bzw. ebenfalls den Dichteunterschieden. Ändern sich genau diese Stoffeigenschaften, so sind diese Messtechniken an ihrer Grenze angelangt.

Neben den herkömmlichen Messprinzipien ist die geführte Mikrowelle (TDR = Time Domain Reflectometrie oder auch geführtes Radar genannt) auf dem Vormarsch. Unabhängig von der Mediumsdichte, Brechzahl oder vom Absorptionsverhalten arbeitet Vegaflex 67 mit dem physikalischen Unterschied in der Dielektrizitätszahl der beiden Medien.

Dabei wird ein Mikrowellenimpuls (ca. 0 bis 2 GHz) auf einen Stab, ein Seil oder auf einen Stab in einem Koaxialsystem eingekoppelt. Dieser läuft aufgrund der Hochfrequenztechnik, dem so genannten Skineffekt, nicht innerhalb sondern auf der Oberfläche des metallischen Leiters. Wie auch bei freistrahlenden Radargeräten in der Füllstandmesstechnik, erfolgt bei Kontakt des Mikrowellenimpulses mit einer anderen Impedanz (dem Dielektrikum) – also dem zu messenden Medium – eine Reflexion. Je nach Höhe der Dielektrizitätszahl bzw. der Leitfähigkeit ist die Reflexion stärker oder schwächer ausgeprägt. Ist das zu messende Medium nicht leitfähig, wird nur ein Teil der Energie an der Oberfläche des im Behälter oberen Mediums reflektiert. Die restliche Energie durchläuft dieses Medium. An der Trennstelle zum zweiten Medium erfolgt eine weitere Reflexion. Leitfähige Medien hingegen reflektieren die gesamte Energie und werden von der Mikrowelle nicht penetriert.

Aus diesem physikalischen Reflexionsverhalten von leitfähigen und nicht leitfähigen Medien leitet sich die erste Regel für den Einsatz der Mikrowellentechnik zur Trennschichtmessung ab: Das obere Medium darf nicht leitfähig sein. Mikrowellen breiten sich in Luft, aufgrund der für Luft spezifischen Dielektrizitätszahl von 1, mit Lichtgeschwindigkeit aus. In Materialien mit höheren Dielektrizitätszahlen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit also geringer. Damit lässt sich die Laufzeitveränderung der Mikrowelle errechnen. Ist das obere Medium homogen und, bezogen auf die Dielektrizitätszahl, stabil, so ist ein weiteres Kriterium für dieses Messprinzip erfüllt.

Die dritte Anforderung an die Applikation leitet sich ebenfalls aus dem Reflexionsverhalten der Medien ab. Eine Reflexion an der Trennschicht kann nur dann erfolgen, wenn das untere Medium eine deutlich höhere Dielektrizitätszahl aufweist oder elektrisch leitfähig ist. Für TDR ist eine um mindestens 10 höhere Dielektrizitätszahl des unteren Mediums und eine Mindestdicke des oberen Mediums von 80 bis 100 mm zur Trennung der beiden Echos (Füllstand und Trennschicht) Voraussetzung.

Die Vorteile gegenüber herkömmlicher Trennschichtmesstechnik liegen auf der Hand. So ist die geführte Mikrowelle im Vergleich zu Schwimmer- und Verdrängersystemen völlig unabhängig von der Dichte der Medien. Im Normalbetrieb ermöglicht Vegaflex 67 nicht nur die Erfassung der Füllhöhen und Schichtdicke. Es kann auch unterscheiden, welches von beiden Medien sich gerade im Behälter befindet, wenn nur eines vorhanden ist.

Mit Vegaflex 67 bietet Vega ein Messgerät an, das keinem Verschleiß unterliegt und auch keine bewegten Teile hat. Der Einbau der Geräte kann sowohl in offenen und geschlossenen Behältern als auch in Stand- oder Bypassrohren erfolgen. Die Inbetriebnahme gestaltet sich denkbar einfach. Der Sensor wird bereits mit einem Werksabgleich geliefert und benötigt dadurch in den meisten Anwendungen nicht einmal einen Abgleich. Zur Inbetriebnahme genügt die Eingabe der Dielektrizitätszahl des oberen Mediums, um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten. Geänderte Prozessparameter, wie zum Beispiel andere Mediumseigenschaften, stellen für diesen Sensor kein Problem dar. Durch Anpassung der Dielektrizitätszahl wird er einfach auf die neuen Prozessbedingungen zugeschnitten.

Vegaflex 67 ist Teil des Geräte- und Dienstleistungen umfassenden plics-Konzeptes. Vorteile wie einfache Projektierung, Montage und Inbetriebnahme bis hin zu einfachem Service und schneller Reparatur zeichnen das Produktprogramm aus.

Wird der Zweileitersensor des Vegaflex 67 digital ausgewertet, liefert er sowohl den Gesamtfüllstand im Behälter als auch die Information über die Lage der Trennstelle zwischen den beiden Medien. Er vereint also die reine Füllstandmessung und die Trennschichterfassung in einem Sensor. Um beide Messwerte als analoge Stromausgänge zu erhalten, kommt das Vegamet 625 zum Einsatz. Es ist ein auf der Hart-Kommunikation basiertes Auswertgerät mit drei Stromausgängen (4…20 mA), das neben Füllstand und Trennschicht auf dem dritten Messkanal auch die Schichtdicke als normiertes Stromsignal ausgeben kann.

dei 411

Radartechnik zur Füllstandmessung

Interkama+ 2005