An Störungen vorbei messen

Füllstandmessung mit Laser-Sensoren

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02.02.2018 Für die berührungslose Füllstandmessung gibt es inzwischen eine ganze Bandbreite an Geräten und Messprinzipien. Neben Ultraschall- oder Radarsensoren sind Laser-Füllstandmessgeräte weniger bekannt – dabei haben diese spezielle Eigenschaften, die sie für zahlreiche Messanwendungen interessant machen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Laser-Füllstandmessungen zeichnen sich gegenüber anderen berührungslosen Messverfahren vor allem durch die einfache Handhabung aus.
  • Der Laserstrahl bewegt sich mit einem sehr geringen Abstrahlwinkel durch den Raum. Dadurch bleibt das Messsignal auch bei großen Entfernungen sehr eng fokussiert.
  • Da der Laserstrahl nicht mit seiner Umgebung interagiert oder von ihr beeinflusst wird, müssen auch keine Störsignale ausgeblendet werden

ABB 01 Laser-Füllstandmessgeräte können auch in sehr engen Einbauverhältnissen zuverlässige Messergebnisse liefern

Laser-Füllstandmessgeräte können auch in sehr engen Einbauverhältnissen zuverlässige Messergebnisse liefern. Bild: ABB

ABB 02 Selbst eine lediglich 2 mm dünne Flüssigkeitsschicht wird von der Lasermessung zuverlässig erfasst

Selbst eine lediglich 2 mm dünne Flüssigkeitsschicht wird von der Lasermessung zuverlässig erfasst. Bild: ABB

ABB 03 In Schüttgut-Anwendungen kommt es häufig zu Aufbauten, die berührungslose Messungen stören - hier zeichnet sich der Lasersensor durch eine hohe Zuverlässigkeit aus

In Schüttgut-Anwendungen kommt es häufig zu Aufbauten, die berührungslose Messungen stören – hier zeichnet sich der Lasersensor durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Bild: ABB

ABB 04 Der Laserstrahl hat einen Abstrahlwinkel von weniger als 0,3°. In einem Abstand von zehn Metern ist die projizierte Laser-Oberfläche kleiner als 66 mm

Der Laserstrahl hat einen Abstrahlwinkel von weniger als 0,3°. In einem Abstand von 10 m ist die projizierte Laser-Oberfläche kleiner als 66 mm. Bild: ABB

Die Laser-Füllstandmessung hat in den vergangenen Jahren in einer Vielzahl von Anwendungen an Popularität gewonnen. ABB bietet diese Lösung seit mehreren Jahren an und hat jetzt mit dem LLT100 eine neue Generation zur Laser-Füllstandmessung speziell für industrielle Anwendungen zugeschnitten auf den Markt gebracht. Lasermessungen zeichnen sich gegenüber anderen Messverfahren vor allem durch die einfache Handhabung aus. Der Laserstrahl bewegt sich mit einem sehr geringen Abstrahlwinkel durch den Raum. Dadurch bleibt das Messsignal auch bei großen Entfernungen sehr eng fokussiert. Da der Laserstrahl nicht mit seiner Umgebung interagiert oder von ihr beeinflusst wird, müssen auch keine Störsignale ausgeblendet werden. Nur die Reflektion der Flüssigkeits- oder Feststoff-Oberfläche wird erkannt – dadurch ist die Inbetriebnahme sehr einfach. Ebenso erfordern Veränderungen der Umgebungsbedingung keine Anpassungen der Geräteparameter. Sollten sich über die Zeit z. B. die Materialeigenschaften oder die Zusammensetzung im Behälter ändern, müssen die Störechos bei den üblichen berührungslosen Messverfahren nachjustiert werden. Dies ist ebenfalls erforderlich, wenn die Position des Sensors verändert wird. Beim Lasergerät wird dieses Nachjustieren überflüssig – die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Füllstandmessung ist dadurch höher.

Auch Medien mit geringer Dichte können gemessen werden

Der Laserstrahl wird im Vergleich zu Ultraschall- oder Radarwellen ganz anders reflektiert, wodurch das Mess­prinzip in vielen Anwendungen Vorteile besitzt. Während Radarmessungen bei Polymeren und Materialien mit geringer Dichte versagen können, werden diese Stoffe vom Laser-Füllstand-Messumformer leicht erkannt. Darüber hinaus kann der Lasersensor bei der Füllstandmessung von Feststoffen in jeder beliebigen Ausrichtung installiert werden, was wiederum den Installationsaufwand deutlich reduziert.

Da der Abstrahlwinkel vom Laser sehr klein ist, kann der Sensor auch in sehr engen Räumen verwendet werden. Die projizierte Oberfläche, die durch den Laserstrahl bestrichen wird, beträgt etwa 50 mm bei einem Abstand von rund 6 m zwischen Sensor und Medium. Dies ermöglicht die Messung in verschiedenen schwierigen Anwendungen, wie Messen durch Rohre und Ventile oder Gitter, und auch in Anwesenheit von Rührwerken und Mischern. In solchen Anwendungen wird der Laserstrahl zwischen der Kante des Rührwerks und der Gefäßinnenseite geschickt, ohne dass die Messung beeinträchtigt wird.

Reflektierte Laserpulse statt Messung der Phasenmodulation

Die Lasergeräte von ABB basieren auf dem Laufzeitverfahren von Wellen. Der Messumformer generiert einen kurzen Laserpuls der sich in Richtung Medium bewegt, in den meisten Anwendungen ist es die Oberfläche in einem Behälter. Die Oberfläche reflektiert den Laserpuls zurück zum Sender, was über einen schnellen Photodetektor erfasst wird. Die Zeit, die zwischen dem Sendepuls und bis zur Rückkehr zum Photodetektor verstreicht, wird über eine präzise Zeitgeberschaltung ermittelt. Da sich der Laserpuls mit einer bekannten Geschwindigkeit fortbewegt, ist es nun möglich, den Abstand zur Oberfläche über die gemessene Laufzeit genau zu bestimmen.

Ein weiteres Verfahren zur Distanzmessung mit einem Laserstrahl ist die Phasenmodulation. Dort wird die Phasenverschiebung über die zurückgelegte Strecke bestimmt. Diese Methode wird von dem in Industrieanlagen häufig vorhandenen Nebel oder Staub negativ beeinflusst – die Laufzeitmessung gepulster Laser liefert deutlich genauere und zuverlässigere Ergebnisse.

Auch klare Flüssigkeiten können detektiert werden

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen dem Laser-Füllstand-Messumformer LLT100 und anderen am Markt verfügbaren Laser-Füllstand-Verfahren ist die Fähigkeit, klare Flüssigkeiten zuverlässig zu erfassen. Das Gerät wurde speziell für diesen Zweck entwickelt und an einer Vielzahl von Flüssigkeiten getestet – von trüb, undurchsichtig bis transparent.
Der Sensor arbeitet auch dann noch zuverlässig, wenn sich nur noch eine geringe Menge Flüssigkeit am Boden eines Behälters befindet. Bild 2 zeigt, dass eine 2 mm starke Flüssigkeitsschicht am Boden eines Edelstahlbehälters zuverlässig erfasst wird. Die dort gezeigten Pegelschwankungen sind Oberflächenbewegungen, die beim Befüllen entstehen.

Die Verwendung von Laserstrahlen zur Abstandsmessung in industriellen Anwendungen kann aufgrund der speziellen Eigenschaften des Messprinzips zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. In einem typischen Hackschnitzelsilo haften beispielsweise Späne an der Gefäßwandung und erzeugen so einen Aufbau. Um eine klare Sicht auf die Oberfläche zu bekommen, ist der Füllstandsensor üblicherweise mittig im Silo angebracht. Im Laufe der Zeit verändert sich der Aufbau, da immer mehr Späne an der Wandung anhaften, die irgendwann auf den Behälterboden fallen. Messverfahren mit einem großen Strahlwinkel erfassen schließlich auch den Aufbau – es entstehen Messsignale (Echos), die jedoch Störsignale sind. Diese Echos können mit einer geeigneten Software ausgeblendet werden, so dass der tatsächliche Füllstand erkannt wird. Die Gestalt eines solchen Aufbaus ändert sich jedoch ständig, entsprechend muss das Mapping häufig neu durchgeführt werden. Das wiederum verursacht hohe Wartungskosten und verringert die Betriebszeit.

Ein Laser-Füllstand-Messumformer für die gleiche Anwendung arbeitet ganz anders. Der Laserstrahl hat einen Abstrahlwinkel von weniger als 0,3°. In einem Abstand von 10 m ist die projizierte Laser-Oberfläche kleiner als 66 mm. Die Messung wird nicht durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst. Selbst wenn dies der Fall wäre, dann würde das erzeugte Echo, das weit entfernt von der zu gemessenen Oberfläche entsteht, nicht als Messsignal erkannt. Das bedeutet, dass nach der Inbetriebnahme keine Parameter verändert werden müssen, um mit sich bildenden Aufbauten zurechtzukommen. Der Anwender kann seine Messung ohne zusätzliche Wartung durchführen.

Beläge und Anhaftungen stören nicht

Ein weiteres in einer Vielzahl von Anwendungen auftretendes Problem in der Füllstandmessung von Flüssigkeiten sind Rückstände. Ein Beispiel dafür ist die Füllstandmessung in einem Beruhigungsrohr von Abwässern. Im Laufe von wenigen Tagen hinterlässt das Schmutzwasser überall Beläge und Rückstände. Messverfahren in diesem Umfeld müssen nahezu jeden Tag gewartet werden. Während bei anderen berührungslosen Messverfahren Anhaftungen meist zu Messfehlern führen, kann die Laser-Füllstandmessung auch hier eingesetzt werden. Die Laser-Füllstandmessung funktioniert so lange, bis eine Rohrreinigung unvermeidbar wird und spart so gegenüber anderen Messverfahren Wartungskosten. In der Industrie entstehen Anhaftungen häufig, beispielsweise wenn feuchte oder klebrige Schüttgüter verarbeitet werden. Die Lasermessung hilft, dort in vielen Fällen Kosten zu sparen und die Messung zu vereinfachen.

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Heftausgabe: Januar-Februar/2018

Über den Autor

Roman Urbanc ist Business Development Manager Level and Temperature Products bei ABB Automation Products
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