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Feststoff oder Flüssigkeit? Je nachdem braucht es unterschiedliche Systeme zur Messung.

14. Okt. 2019 | 11:58 Uhr | von Dörte Neitzel

Halb voll oder halb leer ist bei einem Glas Wasser eine Frage der Einstellung. Bei Vorratsbehältern, die laufende Prozesse speisen, sieht die Sache anders aus. Manchmal genügt es zu wissen, ob eine Unter- oder Obergrenze erreicht wurde.

Wo das nicht ausreicht, ist eine kontinuierliche Füllstandsmessung gefragt. Und kann diese dann auch noch berührungslos erfolgen – ohne Schwimmer oder Messfühler – bringt dies eine Reihe von Vorteilen mit sich.

Feststoff oder Flüssigkeit? Je nachdem braucht es unterschiedliche Systeme zur Messung.

Berührungslose Messung von Füllständen

„Berührungslose Messverfahren werden dort eingesetzt, wo es Korrosion, Ansatz oder erhöhte Temperaturen gibt. Auch in hygienischen Prozessen, wo eine Reinigung gefordert wird, setzten sich berührungslose Messverfahren durch“, sagt Dietmar Haag von Endress+Hauser.

Der Einbau einer berührungslosen Messung ist in der Regel einfacher als der Einbau einer berührenden. Beispielsweise weil Silos nicht erst leer gefahren werden müssen. Dazu kommt: „Die Instrumente sind weitestgehend verschleißfrei, die Lebensdauer des Messinstruments wird erhöht. Die Messwerte bleiben auch bei wechselnden Medien mit Leitfähigkeits- oder Dichteschwankungen stabil“, betont er.

Welche Methode misst am besten berührungslos?

Die Palette an Verfahren zur kontinuierlichen, berührungslosen Füllstandsmessung ist vielfältig. Sie reicht von einfachen Ultraschall-Messungen über Radar oder Laser bis hin zu radiometrischen Verfahren, die mit radioaktiven Gammastrahlen arbeiten. Letztere kommen jedoch allein schon aus Kostengründen nur selten und bei extrem aggressiven Medien zum Einstz. Die Nase vorn hat derzeit Radar in verschiedenen Frequenzbereichen.

„Die Radarmesstechnik zählt eindeutig zu den wichtigsten Verfahren. In der Prozessindustrie werden Ultraschallsensoren nur noch bei sehr einfachen Anwendungen eingesetzt, da sie empfindlich auf Temperaturveränderungen, unterschiedliche Gaszusammensetzungen sowie Anhaftungen und Kondensat reagieren.

Krohne Optiwave für die berührungslose Messung von Füllständen

Optiwave von Krone: FMCW-Radarmesser für berührungslose Messungen.

Laser punkten bei Kunststoff

Laser ist als optisches Verfahren sehr anfällig gegenüber Kondensat und Anhaftungen. Zudem reflektieren durchsichtige Flüssigkeiten das Licht kaum“, begründet Jürgen Skowaisa, Produktmanager Radar bei Vega in Schiltach, seine Einschätzung.

Der Einsatz von Lasern bietet sich vor allem bei wenig staubenden Schüttgütern mit einer niedrigen Dielektrizitätszahl an, bei denen Radar Probleme hat, beispielsweise Kunststoff-Granulat

“Ultraschall ist tot”

Ultraschall war lange Zeit unangefochtener Spitzenreiter bei der berührungslosen Messung. „Aber mittlerweile muss man sagen, Ultraschall ist tot“, winkt Andreas Königs, Vertriebsingenieur bei Krohne Messtechnik, ab. „Es wird nur noch in ganz geringen Stückzahlen verkauft. In erster Linie im Wasser- und Abwasserbereich, weil die Anwendungen hier einfach sind und auch sehr stark auf den Preis geschaut wird“, ist seine Erfahrung.

Doch auch der ist mittlerweile kein Argument mehr. „Inzwischen gibt es sogenannte ‚Wasserradars‘, die preislich im selben Segment liegen wie Ultraschallgeräte und häufig sogar mehr können“, berichtet Königs. Wenn es nicht zu sehr schäumt, können sie gut mit Ultraschall konkurrieren.

Ihre Gehäuse bestehen meist komplett aus Kunststoff. Die Antenne gibt es nur in einer Standardausführung und auch sonst sind keine Variationsmöglichkeiten oder Sonderausstattungen vorgesehen.

Messungen in Spezialbehältern

Viele dieser Wasserradars arbeiten mit 24-GHz-Technologie. Besser ausgestattete Radargeräte in diesem Frequenzbereich sind noch immer das Mittel der Wahl, wenn wegen extrem hoher Temperaturen mit gebogener Antenne ‚um die Ecke‘ oder in Tanks mit sehr schnell drehenden Rührwerken und starker Thrombenbildung gemessen werden muss.

„Da empfehle ich eher 24 GHz mit einem etwas größeren Radarkegel als 80 GHz, auch wenn die 80-GHz-Geräte mittlerweile so gut sind, dass wir fast alles damit abdecken können“, stellt er fest.

Was können niederfrequente Geräte?

Ist bei den niederfrequenteren Geräten – je nach Hersteller – häufig noch das Pulsverfahren die Regel, wurde es bei den 80-GHz-Geräten von FMCW abgelöst. FMCW steht für Frequency Modulated Continuous Wave. „Während beim Pulsradar ungefähr eine Million Pulse pro Sekunde mit immer der exakt gleichen Frequenz ausgesendet werden, arbeitet FMCW mit einer Frequenzänderung“, berichtet Königs.

Beim 80-GHz-Radar wäre das etwa ein Anstieg von 78 auf 82 GHz. „Diese Rampe wird schön gerade gehalten und abgesampelt, also in 1 024 Frequenzpunkte zerlegt“, erklärt Königs. Von Punkt zu Punkt verschiebt sich die Frequenz des ausgesandten Signals leicht und damit auch die Frequenz des zugehörigen reflektierten Signals, was nicht nur die Zuordnung vereinfacht.

Weil jedes Signal eine gewisse Laufzeit hat, bis es wieder beim Gerät ankommt, ist die Sende­frequenz zwischenzeitlich angestiegen. „Wenn ich aktuelle Sendefrequenz und empfangene Frequenz dann miteinander vergleiche, ergibt sich eine Differenzfrequenz und diese ist direkt proportional zum Abstand“, erklärt er.

Die Vorteile von Standardgeräten

Standardradargeräte kommen auf eine Messgenauigkeit von ± 2 mm, bei entsprechender Kalibrierung sogar auf ± 1 mm über die ersten zehn Meter. Bei Ultraschallgeräten können sich leicht Abweichungen von 10 mm ergeben. Wie hoch die Toleranz bei den unterschiedlichen Messprinzipien ist, hängt aber auch von den Einsatzbedingungen ab.

„Ein Laser kann ohne Staubeinwirkung eine sehr hohe Genauigkeit erzielen, bei starkem Staub misst er eventuell gar nicht mehr. Tendenziell misst ein Radar aber genauer als ein Ultraschallgerät. Die Frage ist immer auch, welche Genauigkeit für die entsprechende Anwendung benötigt wird beziehungsweise ausreichend ist“, gibt Dietmar Haag zu bedenken.

80-GHz-Radar: Eines für fast alles

Die große Stärke des 80-GHz-Radars ist sein schmaler Messkegel. Immer dann, wenn die Reflexion, auf der die Laufzeitmessung basiert, nicht direkt vom Füllgut stammt, sondern vom Rührwerk im Füllgut, oder wenn das Signal über die Behälterwand zurückkommt, abgelenkt vom Schüttgutkegel, wird es problematisch.

„Einbauten wie Rührwerke, Stromstörer, Heizschlangen oder Ähnliches können zu Störreflexionen der Signale führen. Durch den Einsatz von 80-Giga-Hertz-Sensoren wird eine sehr gute Signalfokussierung erreicht, was Störreflexionen reduziert“, sagt Jürgen Skowaisa.

Doch auch die 80-GHz-Geräte sind nicht so universell einsetzbar, dass sie für jeden Einsatzfall passen. „Eine Vielzahl von Kriterien müssen bei der Auswahl zum idealen Messprinzip betrachtet werden“, betont Haag. Eine möglichst detaillierte Beschreibung der Anwendung ist deshalb unabdingbar, um das passende Verfahren und Gerät zu finden.


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Selbst wenn die Entscheidung für eine berührungslose, kontinuierliche Füllstandsmessung bereits gefallen ist, sind noch eine ganze Reihe von Kriterien für die Auswahl des passenden Verfahrens und Gerätes zu beachten. Die wichtigsten:

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Messung von Feststoff oder Flüssigkeit

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Einbauten (Rührwerke, Heizschlangen …)

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Schaum- oder Staubentwicklung, Gase, Dampf, Trennschicht …

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Messbereich (Behältergröße)

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✔ Druck- und Temperaturverhältnisse im Behälter

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Physikalische Eigenschaften des Mediums (Dielektrizitätszahl, Temperatur, Transparenz, Dichte …)

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Anforderungen an Genauigkeit der Messung

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Prozessanschluss (Flansch/Gewinde, hygienische Anschlüsse …)

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Behälter (offen/geschlossen, Geometrie, Größe …)

Haken

Befüllgeschwindigkeit

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Spezielle Zulassungen und Schutzarten (z. B. ATEX, SIL,
WHG, IP66 …)

Haken

Hygiene (z. B. SIP, CIP …)

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Lebenszykluskosten (Aufwand Wartung, Reparatur, Stillstandszeiten …)

 


Kenngröße Dielektrizitätszahl

Die Dielektrizitätskonstante (DK) gibt die Durchlässigkeit eines Mediums für elek­trische Felder an, was ausschlaggebend ist für Ausbreitungsverhalten und Reflexion des Radarsignals. Je höher die Dielektrizitätskonstante, desto besser das Reflexionsverhalten des Mediums und desto einfacher die Messung.

Autorin: Michaela Neuner