80-GHz-Radar bewährt sich in schwierigen und neuen Füllstand-Messaufgaben

Als vor über einem Jahr das Radarfüllstandmessgerät Vegapuls 64 auf dem Markt eingeführt wurde, waren selbst Spezialisten überrascht, wie viele neue Möglichkeiten sich für das Gerät ergeben. Ähnliches war schon zwei Jahre zuvor beobachtet worden, als das erste Radarmessgerät für Schüttgüter auf den Markt kam, das ebenfalls mit der hohen Frequenz von 80 GHz arbeitet. Bereits in vielen Probeanwendungen zeigte sich die höhere Güte der Messung in den Echokurven, die sich später in der Praxis bestätigte.

Entscheidender Unterschied zu bisherigen Radarfüllstandmessgeräten ist die verwendete Frequenz von 80 GHz, statt wie üblich 26 GHz. Dadurch ist eine mehr als dreifach bessere Fokussierung des Radarstrahls möglich, was wiederum eine ganze Reihe an positiven Auswirkungen auf die Messung hat. Der sehr schmale Messstrahl wirkt sich nicht nur positiv bei Einbauten, wie Rührwerken, Abstreifern oder Schweißnähten im Tank aus, sondern auch bei Medien, für welche die Radarmesstechnik aufgrund der zu geringen Dielektrizitätszahl nicht geeignet war. Auch bei Schaum, sehr turbulenten Füllgutoberflächen, Kondensat oder Anhaftungen an der Antenne wird durch die höhere Messsicherheit selbst bei extremen Messbedingungen eine zuverlässige Messung ermöglicht. Der Vegapuls 64 verfügt zudem über einen sehr großen Dynamikbereich, was wiederum zu einem breiten Einsatzspektrum und einer höheren Messsicherheit führt.

Plötzlich waren Anwendungen möglich, die bisher gar nicht in Betracht gezogen wurden. So gibt es in vielen Anlagen der chemischen Industrie durchaus den Trend, eine Grenzstandmessung durch ein redundantes kontinuierliches Verfahren zu erweitern. Allerdings war der bauliche Aufwand hierfür meist zu groß, so dass bislang darauf verzichtet wurde. Mit dem 80-GHz-Gerät steht ein kontinuierliches Messverfahren zur Verfügung, das sich schnell und unkompliziert installieren und schnell in Betrieb nehmen lässt. Durch den sehr schmalen Messstrahl kann der Radarsensor einfach auf vorhandene Stutzen installiert werden, so dass Vorbereitungen für einen Probelauf gering sind. In kürzester Zeit stehen verlässliche Messwerte zur Verfügung.

Alternative zur Durchflussmessung

In einem südafrikanischen Pharmaunternehmen konnte das hochfrequente Füllstandradar ebenfalls dank seiner Genauigkeit überzeugen. Hier hatte der Hersteller von Azathioprin und Mirtazapin bisher wegen der Genauigkeit eine Durchflussmessung eingesetzt, um die exakten Produktmengen zu erfassen, die in den Rührwerkskessel eingebracht werden. Dies wurde jedoch immer wieder zum Balanceakt. Die Problematik: Um die Stoffe in den Behälter einzubringen, war es nötig, den Reaktor zu öffnen. Da der Druck bei 3 bar und die Temperatur bei 120 bis 130 °C liegt, musste der Behälter vor jeder Befüllung entspannt werden. Die Sicherheit des Bedienpersonals konnte man nicht gewährleisten. Ein Umdenken war nötig: Obwohl eine Durchflussmengenmessung normalerweise die bessere Alternative ist, um genaue Mengen zu erfassen, entschied man sich aufgrund der starken Anhaftungen dafür, den berührungslos messenden 80-GHz-Radarsensor einzubauen. Trotz eines Rührwerks mit 25 bis 40 Umdrehungen pro Minute und Kondensation, die aufgrund des sich erwärmenden Mediums entsteht, erfasst das Radargerät zuverlässig und ausreichend genau die zugegebenen Mengen. Durch den Einsatz des Radarfüllstandmessgerätes konnte unter anderem auch die Sicherheit für das Bedienpersonal erhöht werden.

Genauigkeit in kleinen Behältern

Auch in kleinen Behältern profitiert man von der höheren Genauigkeit. Dafür wurden bei der Entwicklung des Radargeräts die Störsignale im Nahbereich deutlich reduziert. Zwar ist die Blockdistanz (also der Abstand zwischen Antenne und Flüssigkeitsoberfläche) bei Radarmessgeräten deutlich geringer als beispielsweise bei Ultraschallmessgeräten, für Anwendungen in Laboren und Forschungseinrichtungen war diese jedoch immer noch zu groß.

Da das Antennensystem in den Prozessanschluss integriert wurde, ragt auch keine Antenne in den Behälter hinein. Es ist also möglich, bis dicht an den Prozessanschluss und den Behälterboden zu messen, selbst bei Flüssigkeiten mit niedrigen Dielektrizitätszahlen. Dazu muss man wissen: Bei Medien mit kleinen Dielektrizitätszahlen durchdringt ein Teil der Signale das Medium und wird von dem darunterliegenden Behälterboden reflektiert. Somit bekommt man zwei Signale: vom eigentlichen Füllstand und vom Behälterboden. Die Signale des Bodens sind dabei umso größer, je geringer die Dielektrizitätszahl des Mediums und je besser die Reflexion vom Behälterboden (z. B. flacher Metallboden). Durch die deutlich kürzere Wellenlänge der 80-GHz-Signale werden diese im Medium erheblich stärker gedämpft als bei 2-GHz-Sensoren. Dadurch ist die Reflexion am Behälterboden deutlich geringer. Dies ermöglicht nun die Füllstanderfassung über das gesamte Behältervolumen, selbst in kleinen Tanks. Dies war bisher weder mit freistrahlenden 26-GHz-Radarsensoren noch mit dem geführten Radar möglich. Da bei Letzterem ein Seil oder Stab als Führung für das Signal genutzt wurde, ist eine Messung bis zum Boden schon prinzipiell unmöglich. Schließlich muss der Stab oder das Seil immer einen Abstand zum Boden einhalten. Bei größeren Behältern konnte dieser Abstand meistens vernachlässigt werden. Aber je kleiner die Behälter werden, desto größer wird der prozentuale, nicht messbare Teil.

Messinstrument muss nicht immer eichfähig sein

In vielen Umschlagprozessen der chemischen Industrie ist Eichfähigkeit der Messinstrumente ein Muss: zum einen für Medien, die besteuert sind, zum anderen für interne Verrechnungen. Eichfähige Messinstrumente sind jedoch meist sehr groß, teuer und vor allem aufwendig bei der Inbetriebnahme. In der Praxis würden viele Anwender daher zwar gerne auf die nicht sehr praktikablen Geräte verzichten, jedoch nicht auf eine zuverlässige Messgenauigkeit. Und in der Tat stellt sich die Frage, ob es immer ein eichgenaues Gerät sein muss. Bei Verrechnungen innerhalb eines Chemieparks werden die Volumenströme in der Regel über ein eichfähiges Durchflussmessgerät gemessen. Dagegen muss die Füllstandmessung in den Tanks nicht zwingend eichfähig sein, sondern nur entsprechend genau, um die Bevorratung sicher zu planen.

Zum Hintergrund: Eichfähige Füllstandmessungen werden in der Regel direkt am Tank kalibriert, eine sehr aufwendige Prozedur. Außerdem muss die Temperatur des Mediums an verschiedenen Positionen im Tank gemessen werden, um seine Ausdehnung über die Temperatur zu kompensieren. Zudem muss bei den hohen Genauigkeitsanforderungen der Behälterdruck überwacht werden. Daher nutzen inzwischen viele Tankbetreiber den Vegapuls 64 als redundantes System. Das berührungslos messende Radarfüllstandmessgerät arbeitet mit einer Genauigkeit von ± 2 mm, unabhängig von Druck, Temperatur oder dem Medium selbst.

Gleiches gilt im Übrigen für Whisky-Destillerien. Der zu versteuernde Alkohol wird zwar nach wie vor über eichfähige Geräte erfasst, für die übrigen Stoffströme setzt man jedoch lieber auf die kompakten Geräte von Vega. Bevor der Whisky in Holzfässer zur langjährigen Reifung abgefüllt wird, wird dieser in Behältern aus Edelstahl gelagert. Für die genaue Erfassung des Bestands in den Lagerbehältern, sind die Radarsensoren die optimale Lösung.

Ausblick: Für die Genauigkeit und eine bessere Auflösung spielt auch die Bandbreite der Frequenzen eine große Rolle. Beim Vegapuls 64 werden Radarsignale in einem Frequenzbereich von 76 bis 80 GHz abgestrahlt. Damit ergibt sich eine Bandbreite von 4 GHz. Zwar wäre eine größere Bandbreite aus messtechnischen Gründen wünschenswert, dies ist allerdings mit den europäischen Funkrichtlinien nicht vereinbar. Die Frequenzbereiche, Bandbreiten und Sendeleistungen sind hier genau festgelegt. Rein technisch gesehen, wäre eine höhere Bandbreite möglich, die Sensoren würden jedoch die Zulassung für den Einsatz in offenen bzw. geschlossenen Behältern verlieren. Noch höhere Frequenzbereiche sind für die Zukunft sicher interessant und theoretisch möglich, im Moment fehlt es jedoch an den wirtschaftlich einsetzbaren Komponenten zur Erzeugung der hohen Frequenzbereiche und den entsprechenden Zulassungsrichtlinien. Durch die 80-GHz-Technologie ergab sich bereits jetzt ein großer Schritt in Richtung neuer Einsatzmöglichkeiten.

CT-Artikel: Mit dem Strahl durch die Wand: Füllstandmessung durch Glas- und Kunststoffwände hindurch

Powtech 2017 Halle 4 – 514