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Füllstandsmessung/Geführtes Radar Innere Werte: So hilft geführtes Radar bei Trennprozessen

| Autor / Redakteur: Denny Nelson* / Dominik Stephan

Wenn sich Flüssigkeiten entmischen, ist die Trennschicht entscheidend. Doch wo genau verläuft die Grenze zwischen den Medien? Was ist mit Emulsionen, Schäumen oder Kondensation? Wer es ganz genau wissen will – oder muss – sollte darüber nachdenken, das Radar an die Leine zu nehmen: Geführte Mikrowellen können helfen, Abscheideprozesse deutlich effizienter zu gestalten.

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Wissen, was "in" ist: Geführtes Radar erlaubt einen Blick in Tanks und Behälter und kann auch bei Gemischen und Emulsionen zum Einsatz kommen.
Wissen, was "in" ist: Geführtes Radar erlaubt einen Blick in Tanks und Behälter und kann auch bei Gemischen und Emulsionen zum Einsatz kommen.
(©THATREE - stock.adobe.com )

Die Trennung zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten in einem Tank oder Behälter ist für viele Produktionsprozesse wesentlich und kann erhebliche Auswirkungen auf die Qualität des Endprodukts haben. Doch dazu müssen Anlagenbetreiber die Trenn- schicht präzise und zuverlässig bestimmen können. Bei vielen Anwendungen trennen sich die Flüssigkeiten aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte. Bei einigen Anwendungen muss man die Dicke der oberen Flüssigkeitsschicht kennen: Etwa, wenn nur eine Flüssigkeit abgegossen werden muss und eine genaue Anzeige erforderlich ist. Auch bei der Ölherstellung kann es teuer werden, wenn Öl in das Wasser oder Wasser in den Prozess gelangt.

Radar an der Leine

Am einfachsten lässt sich eine Trennschicht durch ein Sichtfenster messen, jedoch hat dieses Verfahren Nachteile: Nicht nur, dass eine Prüfung durch den Bediener erforderlich ist, sie ist auch arbeitsintensiv und zeitaufwändig. Außerdem müssen Sichtfenster gewartet werden. Bei Anwendungen, die für Kondensation anfällig sind, kann der Bediener die Trennschicht eventuell nicht gut genug sehen.

Zu den Alternativen gehören Schwimmer und Verdränger, kapazitive Messumformer, Differenzdruckmessumformer und magnetostriktive Sensoren. Aber auch diese Technologien haben ihre Grenzen hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit und können komplexe Wartungs- und Kalibrierungsanforderungen aufweisen.

Radar mit geführter Mikrowelle (GWR) ist eine gängige und bewährte Technologie zur Trennschichtmessung: GWR-Messumformer messen direkt von oben nach unten den Abstand zur Produktoberfläche und Trennschicht und haben so viele Vorteile gegenüber anderen Technologien.

Die Messumformer haben keine beweglichen Teile und daher nur einen minimalen Wartungsaufwand. Die einfache Systemintegration sowie Einbindung Wireless-fähiger Geräte ohne einen Bedarf für Daten- oder Stromkabel sind weitere wichtige Vorteile der GWR-­Messumformer.

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Die Technologie basiert auf dem Laufzeitverfahren (TDR oder Time Domain Reflectometry): Ein Mikrowellenimpuls mit geringer Energie wird mit Lichtgeschwindigkeit durch eine Sonde gesendet, die sich im Prozessmedium befindet. Wenn der Impuls auf die Oberfläche des Materials trifft, wird ein erheblicher Teil der Energie zurück zum Messumformer reflektiert. Der Zeitunterschied zwischen dem erzeugten und dem reflektierten Impuls wird in einen Abstand konvertiert, aus dem der Füllstand berechnet wird. Da ein Anteil des Impulses weiterhin entlang der Sonde nach unten geleitet wird, kann ein zweites Echo der Trennschicht zwischen den beiden Flüssigkeiten an einem Punkt unterhalb des ersten Füllstands erkannt werden.

Die Geschwindigkeit des Impulses (und damit die Genauigkeit der Messung) ist abhängig von der Dielektrizitätskonstanten der Produkte. Messumformer, die von oben nach unten messen, eignen sich nur für Trennschichtmessungen, wenn die erste Flüssigkeit eine geringere Dielektrizitätskonstante hat als die zweite und wenn eine Differenz von mindestens sechs zwischen den beiden besteht.

In typischen Anwendungen hat die obere Flüssigkeit eine Dielektrizitätskonstante von weniger als drei, während die Untere eine hohe Dielektrizitätskonstante von größer 20 hat. Die Dielektrizitätskonstanten von Öl und Benzin liegen etwa zwischen 1,8 und 4, während Wasser und Säuren auf Wasserbasis eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 20 aufweisen.

Wenn das obere Produkt eine höhere Dielektrizitätskonstante hat als die untere Flüssigkeit, ist eine Trennschichtmessung von oben nach unten mit GWR nicht möglich. Jedoch kann unter diesen Umständen die Montageposition des Messumformers gedreht werden, sodass das Gerät unten am Behälter montiert wird.

Was ist mit Emulsionen?

Die Genauigkeit der Messung kann dadurch beeinflusst werden, ob eine deutliche Trennschicht zwischen den Flüssigkeiten vorhanden ist oder nicht. Mitunter trennen sich die beiden Flüssigkeiten nicht richtig, sodass stattdessen eine Emulsionsschicht entsteht (d.h. eine Mischung der beiden Produkte). Normalerweise wird es umso schwieriger die Trennschicht genau zu messen, je dicker die Emulsion ist.

Je nach Zusammensetzung können manche Emulsionen ausgeprägte Schichten ausbilden, wenn man ihnen Zeit zum Setzen lässt. Bei diesen Anwendungen kann eine Trennschichtmessung möglich sein, wenn der GWR-Messumformer an einer ruhigen und unbewegten Stelle des Behälters montiert wird, an der die Schichten sich trennen können. Mithilfe eines Beruhigungsrohrs kann man bessere Bedingungen und genauere Messungen erreichen.

Auch wenn GWR-Messumformer eine bewährte und weit verbreitete Lösung für Trennschichtmessungen sind, muss die obere Flüssigkeitsschicht eine bestimmte Mindestdicke haben, damit das Gerät zwischen den Signalen unterscheiden kann, die von den unterschiedlichen Flüssigkeiten reflektiert werden. Diese Mindeststärke variierte normalerweise je nach Typ des Messumformers und der Sonde zwischen 50 und 200 mm. Mit den mit geführter Mikrowelle von Emerson können jedoch obere Flüssigkeitsschichten von nur 25 mm erkannt werden.

Diese Verbesserung ist dank des Peak-in-Peak-Trennschichtalgorithmus des Herstellers möglich. Dadurch kann der Messumformer Signalspitzen erkennen, die näher beieinander liegen, ohne die Signalbandbreite verringern zu müssen (was die Empfindlichkeit reduzieren und die Möglichkeit zur Bewältigung von Störungen in der Flüssigkeit einschränken würde).

Mit der Möglichkeit der Erkennung einer dünneren, oberen Flüssigkeitsschicht kann ein ungewollter Produkteintritt vermieden und die Leistung des Abscheidungsvorgangs optimiert werden, wodurch Endanwender wiederum die Betriebseffizienz und Wirtschaftlichkeit steigern können. Die Möglichkeit, dünnere Schichten zu erkennen, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich kein zweites Produkt im Behälter befinden sollte und Kohlenwasserstoff über Methanol beispielsweise ein Indikator dafür ist, dass in dem Prozess etwas nicht stimmt.

Beim Messen hoch hinaus

Präzise Messungen zur Oberseite des Tanks stellen sogar dann eine Herausforderung für GWR-­Messumformer dar, wenn eine Koaxialsonde mit großem Durchmesser verwendet wird. Dabei liefern diese Sonden die stärkste Signalrückmeldung, haben keine obere Totzone und werden nicht durch Hindernisse beeinträchtigt. Jedoch hat das Rauschen mit hoher Amplitude Einfluss auf die Messgenauigkeit an der Oberseite des Tanks. Mit einem verbesserten Design der Prozessdichtung gelang es Emerson, dieses Rauschen zu beseitigen, wodurch Messungen zur Oberseite des Behälters vereinfacht werden.

Eine weitere Herausforderung ist die Doppelreflexion, bei der das Radarsignal zwischen der Produkt­oberfläche und dem Tankdach oder einem anderen Objekt hin- und herspringt. Normalerweise haben diese Signale eine geringe Amplitude und werden vom Messumformer ignoriert, aber manchmal interpretiert der Messumformer die Doppelreflexion als Oberflächen­echo. Um die Messungszuverlässigkeit zu steigern, verfügt die neueste Generation der GWR-Mess­umformer über einen im Werk konfigurierten Schwellenwert, der die Mindestsignalstärke der Haupt­parameter wie Oberflächen­echo, Trennschichtecho, Referenzspitze und Spitze durch Sonden­ende bestimmt. Bei Anwendungen in der Öl- und Gasgewinnung wird ein Echo unterhalb des Schwellenwerts als Öl gedeutet und ein Echo über dem Schwellenwert als Wasser. Dadurch wird die Falschdeutung von Doppelsignalreflexionen verhindert und ein vorhersehbares Verhalten ermöglicht, wodurch das Gerät zur echten Plug-and-Play-Option wird.

Sicher ist sicher

Regelmäßige, wiederkehrende Prüfungen sind eine wesentliche Anforderung, um die Integrität von Geräten in kritischen Anwendungen sicherzustellen. Bisher wurden wiederkehrende Prüfungen traditionell von Technikern im Feld und einem Techniker in der Leitwarte durchgeführt, der die Reaktion des Sicherheitssystems überprüft. Dies erfordert ein erhebliches Maß an Zeit und Aufwand, kann die Arbeiter Sicherheitsrisiken aussetzen, dazu führen, dass der Prozess außer Betrieb genommen wird und kann anfällig für Fehler sein. Jedoch machen technische Fortschritte bei modernen GWR-Geräten es möglich, dass wiederkehrende Prüfungen aus der Ferne durchgeführt werden können, wodurch sich der Vorgang schneller, sicherer und effizienter gestaltet.

Die neuen GWR- Messumformer können unter Einsatz der Verification-Reflector-Funktion aus der Ferne einer wiederkehrenden Prüfung mit einer Testabdeckung von 94 % unterzogen werden. Die Verification-Reflector-­Funktion verwendet einen einstellbaren Referenzreflektor, der an einer flexiblen, einadrigen Sonde auf gewünschter Höhe befestigt wird. Das Gerät verfolgt kontinuierlich das Reflektorecho, um zu bestimmen, ob der Füllstand über oder unter der Alarmgrenze liegt. Eine integrierte Testfunktion überprüft, ob der GWR korrekt konfiguriert wurde und das Reflektorecho korrekt verfolgt. Sie bestätigt auch, dass der Alarm-Loop funktioniert, wobei ein oberer Füllstandalarm in der Leitwarte angezeigt wird. Auf die Funktion kann remote per Software sowie lokal über Handheld-­Geräte zugegriffen werden.

Der Test wird während des Betriebs innerhalb weniger Minuten aus der Leitwarte durchgeführt, was Stillstandzeiten minimiert und die Sicherheit erhöht. Im Vergleich zu herkömmlichen Diagnoseoptionen, die nur die Messumformerelektronik überwachen, kann die Verification-Reflector-Funktion auch genutzt werden, um Probleme zu diagnostizieren, die am oberen Teil der Sonde auftreten, wie etwa Produktablagerungen oder Korrosion. So hilft das Radar mit geführter Mikrowelle nicht nur bei der Steigerung der betrieblichen Effizienz, des Durchsatzes und der Rentabilität, sondern sorgt auch für Sicherheit im Betrieb.

* * Der Autor ist Marketing Engineer bei Emerson Automation Solutions, Göteborg/Schweden.

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