Füllstandmessung in Flüssigkeiten

Guy Deiber

Das Radar, von „Radio Detection And Ranging“, kennzeichnet ein auf elektromagnetischen Wellen basierendes Verfahren, das für die Distanzmessung und Objektüberwachung genutzt wird. Seit Anfang der 90er Jahre wurde dieses Meßverfahren auch in der Füllstandmessung eingesetzt. Das von einem geringen Energieverbrauch gekennzeichnete Prinzip beruht auf der Laufzeitmessung der elektromagnetischen Wellen. Kurze Mikrowellenpulse von 5,8 GHz (Vegapuls 50) werden von einem z. B. auf einem Behälter eingebauten Sensor in Richtung Füllgut abgestrahlt und von dessen Oberfläche reflektiert. Die so erzeugten «Echos» werden vom Sensor wieder empfangen, der aus der Laufzeit die Distanz zur Füllgutoberfläche und somit auch den Füllstand errechnet und zwar nach der Formel:

d = c • t/2

mit d : Distanz Sensor – Füllgut, c : Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) und t: Laufzeit (Hin- und Rückweg).

Die Füllstandmessung mit einem Druckmeßumformer beruht auf der Formel von Pascal :

p = h • r • g

mit p: Druck (Pa), h: Füllstand (m), r: Dichte der Füllflüssigkeit (kg/m3) und

g: 9,806 (kgm/s2)

Ändert sich die Dichte nicht, ist der hydrostatische Druck ein direktes Maß für den Füllstand, d. h. Druckanzeige ist gleich Füllstandanzeige. Der Differenzdruckmeßumformer kann für eine direkte Messung am Behälterboden oder durch eine indirekte Anordnung für eine Messung mit dem Einperlverfahren eingesetzt werden. Durch eine entsprechende Anordnung des Meßumformers kann der Füllstand in einem Druckbehälter gemessen werden, wobei der Gesamtdruck (hydrostatischer + überlagerter Druck) plusseitig und der überlagerte Druck minusseitig aufgenommen wird. Der hydrostatische Druck ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem überlagerten Druck und ist dem Füllstand des Füllguts proportional.

Radarsignale – und das ist eine Besonderheit – sind für ihre Ausbreitung an kein Medium gebunden. Somit ist dieses Meßprinzip unabhängig von Lärm, Dichte, Temperaturschwankungen, Gaszusammensetzungen, Füllgutgemisch oder starken Turbulenzen. Deshalb kann diese Sensorik in nahezu allen Stoffen eingesetzt werden: in Flüssigkeiten, Schüttgütern (grob oder pulverförmig) mit einem DK-Wert >2 (selbst bei einem DK-Wert >1,5 kann eine sichere Messung unter Beachtung gewisser Montagehinweise gewährleistet werden). Radarsensoren sind optimal für sehr aggressive Umgebungen geeignet (emaillierte Ausführung verfügbar), ebenso für hohe Drücke und Temperaturen (400 °C Flanschtemperatur, bis 100 bar).

Oft werden Druckmeßumformer (Delta-P-Prinzip) in Druck- oder Vakuumbehältern, in unterirdischen Tanks (Montage in einem Durchperlrohr), in aggressiven und anhaftenden Füllgütern eingesetzt. Dank geeigneter Druckmittler ist es möglich, Flüssigkeiten bis zu einer Temperatur von 350 °C zu messen (nach entsprechender Auswahl der Füllflüssigkeit). Für stark aggressive Umgebungen gibt es Druckmittler aus PTFE oder Hastelloy.

Eine Öffnung an der Behälterdecke genügt für den Einbau eines Radarsensors. Die Prozeßanschlüsse stehen in zahlreichen Varianten zur Verfügung: Einschraubgewinde G 1 1/2, Flansch ab DN 50 oder ANSI 20 sowie Lebensmittelanschlüsse (Tri-Clamp, Rohrverschraubung,…). Selbst durch ein Glasfenster oder eine Behälterdecke aus Kunststoff können Radarsensoren sichere Messungen durchführen. Bei den kompakten Radarsensoren Vegapuls der Serie 50 sind spezielle eigensichere (Ex ia) und druckgekapselte (Ex d) Ausführungen in Zweileitertechnik erhältlich. Durch einen geringen Kabelaufwand und die Nutzungsmöglichkeit vorhandener Leitungen beim Austausch bestehender Systeme stellen sie eine besonders wirtschaftliche Lösung dar. Eine Behälterbefüllung ist für den Abgleich nicht erforderlich. Die Inbetriebnahme und Bedienung ist sehr einfach und kann über ein abnehmbares Bedienmodul, über PC mit der Bediensoftware Visual Operating oder über ein HART-Handbediengerät erfolgen. Die Wirtschaftlichkeit der Radarsensoren besteht aber auch darin, daß sie keinerlei Wartung benötigen. Durch die berührungslose Messung gibt es keine Anhaftungen (außer in Extremfällen durch ausspritzendes Füllgut).

Demgegenüber sind bei dem Differenzdruckmeßverfahren außer zwei Öffnungen für die Montage auch eine Behälterentleerung und ein gehöriges Maß an professioneller Kompetenz notwendig. In der Tat erfordert die Verlegung der Kapillarleitungen große Sorgfalt, um Meßfehler durch Temperaturschwankungen oder Kondensatbildung zu vermeiden. Die Nullwert-Kalibrierung und die Einstellung der Kennlinie sind ohne Füllgut möglich. Für die Wartung ist es oft notwendig, eine erneute Kalibrierung von Zero bereits nach wenigen Monaten durchzuführen (besonders bei kleinen Meßbereichen). Verschmutzungen und Ablagerungen auf der Membran sowie Frost im Bereich der Kapillaren können einen Ausbau des Meßumformers und eine Entleerung des Tanks notwendig machen.

Für die Auswahl der Sensoren ist oftmals allein der Kaufpreis ausschlaggebend. Richtiger und betriebswirtschaftlich korrekter ist es, die Montage- und Wartungskosten mit einzubeziehen.

In führenden Chemie-Unternehmen durchgeführte Studien zeigen, daß bereits bei den Gesamtkosten aus Kauf und Montage ein Vorteil für den Radarsensor auszumachen ist, ohne die Wartungskosten überhaupt zu berücksichtigen. Schließlich ist es nicht nur teuer, sondern auch äußerst aufwendig, die Unterbrechung eines Prozesses zu veranlassen und die Produktion von einer Entleerung der Tanks zu überzeugen. Ebenso stellt der Zeitaufwand für den Abgleich ein nicht zu vernachlässigender Faktor dar.

Eine gewisse Zurückhaltung ist jedoch noch im Hinblick auf den Wechsel der Sensorik zu beobachten, besonders im Bereich der Ersatzteillagerung, Anwenderschulung, Wartungsabläufe, etc. Diejenigen Unternehmen, die diesen Wechsel zur Radartechnologie schon vollzogen haben, konnten sich gerade auch in diesem Bereich von den Vorteilen überzeugen. In der Tat verringert die große Flexibilität des Radar-Prinzips mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten die Zahl der auf Lager befindlichen Ersatz-Sensoren. Wegen der geradezu einfachen Inbetriebnahme und Bedienung mit der Bediensoftware Visual Operating reicht eine kurze Einführung des Bedienpersonals völlig aus.

Im Produktionsprozeß einer Chemiefabrik dient ein 1 m hoher mobiler Behälter zum Auffangen der verschiedenen flüssigen Rückstände aus mehreren Werkstätten. Diese Rückstände auf Tetrachlorkohlenstoffbasis werden dann auf eine Verbrennungsbühne gefahren. Der Füllstand wird bei jedem Anhalten und Befüllen von einem an der Behälterdecke montierten Sensor gemessen. Deshalb muß das vom Sensor gelieferte eigensichere normale 4-20 mA-Signal mit den eigensicheren Speisetrennern der Werkstätten kompatibel sein. Diese Messung wurde zunächst mit einem Delta-P-Sensor durchgeführt, der aufgrund von Anhaftungen und den allgemein dort herrschenden Bedingungen (T: -35 bis 20 °C; P: -100 mbar bei 6 bar) nicht zurfriedenstellend arbeitete. Seitdem ein Zweileiter-Radarsensor Vegapuls 54 Ex eingesetzt wird – dieser ist wegen einer größeren Stutzenlänge mit einer Antennenverlängerung ausgestattet worden – erfolgt die Messung sehr zuverlässig.

Die Füllstandmessung von chloriertem Wasser wurde zunächst in einem stehenden, zylindrischen, korbbogenförmigen Behälter mit einem Delta-P-Sensor durchgeführt, der mit einem Einperlrohr in einem Schwallrohr montiert war. Mit dem Einsatz eines direkt auf dem Schwallrohr montierten Radarsensors vom Typ Vegapuls 53 Ex konnte ohne Flanschänderung, und unter Nutzung der bestehenden eigensicheren Zweiaderleitung des Delta-P-Sensors, die Wartung stark vereinfacht und die Betriebssicherheit um ein Vielfaches erhöht werden. Das Wegfallen der druckluftbetriebenen Systeme wie Druckminderer und das Einblasen von Stickstoff reduzierte die Störanfälligkeit erheblich.

In einer großen Chemieanlage zur Herstellung von Polyurethan führte man die Füllstandmessung in den Lagertanks, gefüllt mit verschiedenen Produkten auf Diphenylmethanbasis, über Differenzdruckmeßumformer und Verdränger durch. Die Radartechnologie wurde wegen ihrem berührungslosen Prinzip und ihrer Unabhängigkeit gegenüber der Füllgutdichte als Ersatz ausgewählt. Somit entfielen die mit dem Füllgutwechsel in den Tanks notwendigen Einstellungsänderungen. Wegen Dampf und Gas in den Behältern war der Einsatz der Ultraschallsensoren begrenzt.

Mit dem Vegapuls 50, einem Zweileiter-Radar-Sensor in eigensicherer und druckgekapselter Ausführung, lassen sich die Anwendungsgrenzen der berührungslosen Füllstandmessung stark erweitern. Dies beruht nicht zuletzt auf der Unabhängigkeit dieses Prinzips gegenüber Gaszusammensetzungen im Behälter, Temperaturschwankungen, Druck, Dichte, Lärm, Dampf oder starken Turbulenzen. Andererseits läßt sich durch das sehr breite Anwendungsfeld die Vielfalt der eingesetzten Sensoren begrenzen. Dies trägt zu einer Standardisierung der Füllstandmessungen bei.

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