Füllstandmessung Füllstand und Förderung messen unter extremen Bedingungen

Berührungslos messende Mikrowellen-Sensoren werden in verschiedenen Industriebereichen zur Füllstandmessung eingesetzt. Im Schüttgutbereich kommt es bei Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen, hohem Staubanfall und abrasivem Schüttgut besonders auf robuste Systeme an. Durch einfache Zubehörteile können die Sensoren für die jeweilige Anwendung optimiert werden.

Anbieter zum Thema

VEGA Grieshaber KG

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Process Sensing Technologies PST GmbH

Füllstandmessungen in abrasiven Medien oder bei hohen Temperaturen sind eine Herausforderung für die eingesetzte Messtechnik. Mechanische Systeme sind hier aufgrund des starken Verschleißes nicht ideal. Mikrowellenbasierte Systeme können bei Bedarf mit einfachen Anbauteilen an verschiedene Anwendungen angepasst werden, wo sie dann zuverlässig und ohne zusätzliche Wartung arbeiten, so z.B. in der Lebensmittelherstellung, bei der Holz- oder Papierverarbeitung, in der Baustoffindustrie oder in Kraftwerken. Oftmals reichen Standardgeräte, die durch ein entsprechendes Antennensystem an die Aufgabe angepasst werden.

Anwendungen bei extremen Temperaturen, mit abrasivem Material oder bei starkem Staubanfall erfordern eine spezielle Anpassung, um optimal zu funktionieren. Diese meist rein mechanische Anpassung ist im Vergleich zum Aufwand bei ausschließlich mechanisch messenden Systemen eher einfach. Damit kann man die physikalisch bedingten Vorteile der Mikrowellen nutzen, ohne gleich den Sensor neu entwickeln zu müssen.

Bei der Anpassung auf die verschiedenen Anwendungen kommen einem zwei Grundcharakteristiken der Radar- bzw. Mikrowellen entgegen: Sie folgen den inneren Oberflächen von Rohren (so genannte Wellenleiter) und sie durchdringen auch nicht leitende Materialien.

Eigenschaften von Mikrowellen

Da sie auch nicht leitende Materialien wie Glas, Kunststoff oder Keramik durchdringen, können Messungen direkt durch Fenster aus diesen Materialien durchgeführt werden. Dabei wird ein Teil der Mikrowellen reflektiert und läuft zurück zum Transmitter. Bei der Grenzstanderfassung wird nur die Signalabschwächung durch das zu messende Material erfasst. Die aus der teilweisen Reflexion des Signals resultierende leichte Abschwächung kann mittels entsprechender Kalibrierung kompensiert werden.

Bei der kontinuierlichen Füllstanderfassung erzeugt die Reflexion durch das Fenstermaterial ein Störsignal, das von Art und Dicke sowie der Ausrichtung des Fensters abhängt. Keramikmaterial beispielsweise verursacht stärkere Reflexionen als Kunststoff, Oberflächen senkrecht zur Wellenausbreitung erzeugen stärkere Störsignale als schräg stehende. Deshalb empfiehlt sich die Installation des Fensters schräg zur Strahlrichtung, wenn man mit Radarwellen messen will. Da dünne Materialschichten kaum eine Signalbeeinträchtigung verursachen, kann man einen Sensor mit einfachen Abdeckungen aus Kunststoff oder Kunstfasern vor Staub schützen.

Schutz gegen harsche Umgebungen

Zum Schutz gegen hohe Temperaturen oder andere extreme Einflüsse kann der Sensor mit einem Verlängerungsrohr vom Prozessgeschehen abgesetzt werden. Die Wellen laufen dann durch einen Wellenleiter. Auch hier gibt es wieder einen großen Unterschied zwischen Grenzstanderfassung und kontinuierlicher Messung: Während Übergänge an den Rohren bei der Grenzstanderfassung keine Rolle spielen (Reflexionen werden durch Kalibrierung herausgerechnet), stellen Radarsensoren für die kontinuierliche Messung erhöhte Anforderungen an die Dimensionierung und die mechanische Ausführung der Wellenleiter.

Der Innendurchmesser des Rohres muss an die Wellenlänge des Sensors angepasst werden. Und die innere Oberfläche darf keine störenden Strukturen (wie Schweißperlen oder Vertiefungen) an den Verbindungen aufweisen. Für eine optimale Leistung sollte eine Antennenverlängerung und die Abstimmung des Sensors auf die Antenne durch den Sensor-Hersteller vorgenommen werden.

Bei komplexen Anwendungsfällen werden die Sensoren für eine technisch optimale Lösung speziell angepasst. Dabei hilft ein flexibles Sensorsystem, wie beispielsweise die modulare Sensorplattform von Vega, den Sensor einfach an unterschiedlichste Anforderungen anzupassen.

Die Ausbreitung der Radarwellen wird durch Staub nicht beeinträchtigt. Das erlaubt zuverlässige Messungen auch an Stellen mit extremer Staubentwicklung. Zwar wird sich eine gewisse Staubmenge auf dem Sensor ablagern, doch der arbeitet im Allgemeinen zuverlässig ohne weitere Instandhaltung, außer bei extremer Verschmutzung.

Antennenabdeckungen verhindern weitgehend eine übermäßige Verschmutzung des Antennensystems. Neben Schutzkappen aus PP oder PTFE gibt es auch flexible Gewebeabdeckungen, die pneumatisch mittels eines kurzen Luftstoßes abgereinigt werden. Das verbraucht deutlich weniger Druckluft als kontinuierliches „Luftduschen“ und zahlt sich durch geringere Druckluftkosten aus. Die verschiedenen Abdeckungen können einfach nachgerüstet bzw. bei Bedarf angebracht werden.

Die Elektronik der Sensoren muss insbesondere vor hohen Temperaturen geschützt werden. Antennenverlängerungen gestatten es, den Sensor an einem „sicheren“ Platz zu montieren und die Mikrowellen trotzdem in den heißen Bereich zu bringen. Wenn normale Antennensysteme mit ihren aus PTFE hergestellten Komponenten nicht mehr ausreichen, kommen Ausführungen aus widerstandsfähigerem Kunststoff oder aus Keramik zum Einsatz, die bis etwa 450 °C einsetzbar sind.

Einsatzbeispiele

Die Überwachung der Schichtdicke auf einem Klinker-Kühler ist ein Beispiel für den Einsatz von Radarsystemen bei hohen Temperaturen (Abb. 5). Nach dem Brennen wird der Klinker, also der ungemahlene Zement, gekühlt. Dazu wird das 1500 °C heiße Material auf einem Förderer kontinuierlich von Luft durchströmt. Für eine möglichst effektive Kühlung erfassen Radarsensoren die Schichtdicke des Klinkers.

Ein anderes interessantes Beispiel ist die Füllhöhenerfassung in einem Kalk-Ofen. Hier kann eine Mikrowellen-Schranke eingesetzt werden, die direkt durch die Feuerfestauskleidung misst (Abb. 6). Da kein direkter Kontakt mit dem abrasivem Material besteht, gibt es keine Abnutzung, was die Unterhaltskosten niedrig hält.

Die kontinuierliche Schütthöhenüberwachung in Brechern soll als Beispiel für den Einsatz in extrem staubiger Umgebung dienen. Abbildung 7 zeigt einen Radarsensor mit einer durch eine Kunststoffabdeckung geschützten Antenne, der den Brechereinlauf in einer Kupfermine überwacht. Trotz großer Staubablagerungen auf dem System wird die Füllhöhe zuverlässig und genau erfasst.

Kosteneffekte

Die Nutzung und Anpassung von Standardsensoren mittels einfacher mechanischer Komponenten hält die Investitionskosten in einem überschaubaren Rahmen. Teure, speziell entwickelte Teile oder Konfigurationen sind häufig unnötig. Das berührungslose Messverfahren steht für zuverlässigen Betrieb und lange Lebensdauer der Ausrüstung bei minimalem Instandhaltungsaufwand. Zusammengenommen sorgen diese Faktoren für erhebliche Kosteneinsparungen.

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