Füllstandsmessung mit autarkem Radar-Sensor Klein, aber oho: So erleichtert Radar im Miniformat die Bestandsaufnahme in IBCs

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Um Bestände in großen Silos und Behältern zu überprüfen, hat die Radarmesstechnik seit langem die Nase vorn. Was ist aber mit mobilen Behältern, wie IBCs, deren Füllstand – wenn überhaupt – meist nur mit einem kurzen Blick abgeschätzt wird? Der Schiltacher Radarspezialist Vega bietet mit dem Vegapuls Air eine beeindruckende Lösung. Der Kleinstsensor liefert dank Radartechnik genaue Messwerte und lässt sich flexibel und schnell montieren, wie der Ersteinsatz in einem Papierwerk zeigt.

Papier, Karton und Pappe gelten als sehr preiswertes und leichtes Verpackungsmaterial, das zunehmend als umweltfreundlichere Alternative zu Kunststoffen verstanden wird – zumal mittlerweile ein Großteil aller Kartonagen aus Altpapier produziert wird. Einer von Europas führenden Anbietern nachhaltiger Verpackungslösungen, Papierprodukten und Recyclingdienstleistungen ist dabei DS Smith. In den letzten 80 Jahren ist das Unternehmen mit Hauptsitz in London stark gewachsen und hat Firmen in ganz Europa und Nordamerika übernommen. Heute ist der Verpackungshersteller in mehr als 30 verschiedenen Ländern tätig und beschäftigt über 30.000 Mitarbeiter.

Noch wesentlich weiter zurück reichen die Wurzeln des niederländischen Werkes De Hoop: 1657 gegründet, werden heute am Standort Containerboard-Produkte (wie Liner- und Medium-Sorten) aus 100 % Altpapier hergestellt. „Wir recyceln hier etwa 400.000 Tonnen Papier und Kartons pro Jahr und stellen neues Papier her. Daraus produzieren unsere Hauptkunden wiederum Schachteln, Trays und Displays“, erklärt Marco Verkerk, Coordinator Technology & Product Support in De Hoop, am Rande des Zentrums der niederländischen Gemeinde Eerbeek. Nicht nur beim Produzieren setzt DS Smith dabei auf Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit, das Unternehmen sucht auch immer wieder nach Möglichkeiten, eine Verpackung so zu gestalten, dass diese mit weniger Ausgangsmaterial auskommt.

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Wissen, was drin ist: Autark messen mit 80 Gigaherz

80 GHz für IBCs

Radar ist die Zukunft der Füllstandsmessung, sind die Sensorspezialisten bei Vega überzeugt. Ähnlich wie bei Radargeräten in der Luft- und Seefahrt wird dabei ein extrem kurzer Mikrowellenpuls von oben in die zu messenden Tanks, Behälter oder Gerinne geschickt und das an der Mediumsoberfläche reflektierte Echo detektiert. Aus dem zeitlichen Versatz zwischen Signal und Reflektion, der sogenannten Laufzeitdifferenz, kann der Pegelstand präzise bestimmt werden.

Stellten in der Vergangenheit enge, verbaute oder verschmutzte Messstrecken die Technologie vor erhebliche Herausforderungen, ist spätestens mit der Einführung der 80 GHz-Sensoren durch Vega Radar ein echter Füllstands-Alleskönner geworden. Die hohe Frequenz erlaubt einen stark gebündelten Strahl, der auch in engen Gerinnen sicher geführt werden kann. Seit Ende 2019 ist die Technologie nicht mehr nur auf High-End-Anwendungen beschränkt, sondern auch als kompakter Standardsensor verfügbar. Damit, ist sich Vega sicher, können auch Anwender überzeugt werden, die bisher aus Kostengründen Ultraschall im Einsatz hatten. Möglich macht das ein eigens entwickelter Chip, der die komplette Hauptplatine des Sensors abbildet, erklärten die Entwickler.

Und was ist mit den zahllosen Containern, IBCs und Silos, die ohne Kabelanschluss im Werk verteilt stehen? Auch diese „Standalone“-Behälter bleiben mittels autarker Füllstandsmesstechnik sicher im Blick. Die kompakten batteriebetriebenen Vegapuls Air Sensoren werden einfach auf der Oberseite eines IBCs befestigt und senden „ihren“ Füllstand mit radartypischer Zuverlässigkeit in regelmäßigen Abständen Richtung Cloud. Auf eine teure Verkabelung oder einen eigenen Internetzugang vor Ort kann so verzichtet werden.

Abgestimmte Prozesse: So wird aus Altpapier wieder Rohstoff

Dabei hat sich der grundsätzliche Prozess des Papierrecyclings in den vergangenen Jahrzehnten kaum verändert: Die Altpapierballen werden in einem der vier Pulper genannten Rührbehälter mit Hilfe von Warmwasser und Energie zu Papierbrei aufgelöst. Zunächst werden alle Verunreinigungen aus dem Zellstoff entfernt, bevor die saubere Faser zu einer der beiden Papiermaschinen gelangt. Dort wird sie anschließend mit einer Geschwindigkeit von 50 km/h zu "neuem" Rohpapier verarbeitet, aus dem die Kunden anschließend Kartons und Trays herstellen. Genauso gut lässt es sich aber auch für die Außenseite einer Gipskartonplatte oder die Innenseite einer Tür verwenden.

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Technologieführerschaft heißt langfristig denken

Auf den ersten Blick sind die zugrundeliegenden Prozesse recht einfach zu verstehen, allerdings müssen die Rohstoffe sehr genau zugeführt werden. „Daher sind mehrere Zwischenspeicher im Spiel, aus denen sowohl feste als auch flüssige Zusatzstoffe dem Prozess zugeführt werden", erklärt Verkerk. "Außerdem werden verschiedene Flüssigkeiten aus Standard-IBCs von je 1.000 l in den Produktionsprozess eingebracht."

Was ist drin im IBC? Wenn der Behälter nicht zum Sensor kommt...

Die Füllstände in den Silos werden seit mehr als zehn Jahren mit Füllstandmessgeräten des Typs Vegapuls oder Vegabar der Schiltacher Radarspezialisten Vega gemessen und die Werte in einer SPS verarbeitet. Dazu kommen weitere Sensoren der Typen Vegawell, Vegason und Vegadif (die Mittels Hydrostatik, Ultraschall und Differenzdruck messen) an ganz unterschiedlichen Orten im Werk zum Einsatz – etwa an den Papiermaschinen, an den eingehenden Roh- und Hilfsstoffen und Restströmen oder in den Vorratsbehältern. „Wir lagern mehr als 40 verschiedene Chemikalien und Hilfsstoffe in Silos und IBCs. Die Festlagertanks und Silos sind alle mit einem Füllstandsensor ausgerüstet, der per Kabel mit der SPS verbunden ist. Die Werte werden in unser Programm MBS eingespeist und verarbeitet. Wir wissen also genau, wie hoch der Verbrauch ist und bei welchem Füllstand wir Rohstoffe bestellen müssen, damit wir kontinuierlich produzieren können“, beschreibt Verkerk die Situation in seinem Unternehmen.

Bei den mobilen IBCs war dies jedoch bisher nicht möglich. „Wir benötigen nicht immer jeden Hilfsstoff für jedes Fertigprodukt. Also fahren wir jeden Tag durchs Werk, um die Mengen in den IBCs manuell abzuschätzen“, so Verkerk über die bisherige Vorgehensweise. „Unsere Erfahrung mit den bisher eingesetzten Vega-Geräten war sehr gut. Daher fragten wir Vega im September 2019 nach einer Lösung für die IBCs. Leider war die Entwicklung noch nicht ganz so weit“, erinnert sich Verkerk.

Füllstände und Pegel? Alles im Blick dank Radar!

Einige Monate später kam der große Tag: DS Smith De Hoop war Erstanwender bei der Überwachung der Füllstände in den IBCs mit dem Vegapuls Air 23. Die drahtlosen und autarken Sensoren der Schiltacher bringen nicht nur radargenaue Füllstandsmessung in die IBCs, sondern sind auch preiswert, flexibel und sicher – und per plug-and-play schnell eingebaut. Bei der Entwicklung der Sensoren zum Aufkleben stand ganz besonders die Energieeffizienz im Vordergrund. Dafür wurden Messleistung, Funk-Datenübertragung und Energieverbrauch ideal aufeinander abgestimmt.

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Batterien sorgen in Kombination mit optimierten Messzyklen für das Energiemanagement, das eine Laufzeit von bis zu 10 Jahren sicherstellt. Die Sensoren lassen sich daher wo immer Füllstände gemessen werden müssen, zuverlässig einsetzen und dank Klebeadaptern oder flexibler Gurtmontage sehr einfach an den IBCs anbringen. Aufgrund der Radartechnologie ist dabei eine Messung von außen möglich, die Kunststoffblase des IBC muss also nicht geöffnet oder modifiziert werden. Mit wenigen Handgriffen installiert, kann das lediglich hockeypuckgroße Gerät dauerhaft am Behälter verbleiben. Der fest eingestellte Messbereich liegt bei 1,2 Meter und der Mess- und Übertragungsintervall bei sechs Stunden.

Selbst bei aufeinander gestapelten Tanks erfassen die Sensoren an jedem Behälter mehrfach pro Tag den aktuellen Füllstand und die Position – und übermitteln diese Daten per Funk in die Cloud. Damit sind sie für IoT-Anwendungen prädestiniert: Via Mobilfunk (NB-IoT/LTE-M1) kann der Messwert der Sensoren zudem auch an das Vega Inventory System, eine webbasierte Software zur Datenerfassung und Visualisierung von Füllstanddaten des Schwarzwälder Herstellers, übertragen werden.

Zunächst wurden im Juli 2020 drei IBCs im Werk mit dem Vegapuls Air 23 ausgestattet. Die Installation war denkbar einfach: Schutzfolie entfernen, aufkleben, fertig. Der Nachrüst-Sensor misst den Füllstand dank 80-GHz-Radartechnik über eine in flüssigkeitsdichtem Kunststoff gekapselte Antenne durch die Kunststoffdecke des IBCs hindurch. „Es gab zwar vorher Überlegungen, ob wir mit einem kabelgebundenen Radarmessgerät weiter kämen. Aber an den Orten war die Verkabelung schwierig und die Investition wog die Zeitersparnis nicht auf“, macht Verkerk deutlich.

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Für die Installation des Vegapuls Air waren weder Zulassungen noch Prozessanschlüsse nötig. Aufgrund der Messung durch die Behälterwand werden auch keine besonderen Anforderungen an die Beständigkeit der Sensoren gestellt. Dem Sensor ist schlichtweg egal, welches Medium sich im IBC befindet. Ebenso ist eine Reinigung des IBCs von außen möglich, da die Sensoren über die Schutzarten IP68 und IP69K verfügen.

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„Wir gehörten zu den ersten Anwendern und konnten so Erfahrungen sammeln“, berichtet Verkerk. Seiner Meinung nach genügt doppeltes Klebeband zum Befestigen des Sensors am IBC. „Und einmal haben wir bei einem IBC-Austausch vergessen, den Sensor mit umzuziehen. Diesen haben wir erst eine Woche später auf dem Gabelstapler entdeckt“, erinnert er sich lachend. Der Sensor ließ sich davon allerdings nicht irritieren. Kaum war dieser wieder auf den richtigen IBC geklebt, lieferte er schon wieder korrekte Messwerte.

Kompakte Alleskönner: Radar hat bei autarken Füllstandsmesungen die Nase vorn

Für Verkerk erleichtert der Einsatz des neuen Sensors den Alltag. „Zwar hatten wir vorher keine wirklichen Messprobleme, aber die Lösung war einfach unpraktisch. Wir konnten den Inhalt nicht genau verfolgen und es ging täglich Zeit mit der Aufzeichnung verloren. Jetzt hat man eine sehr genaue Messung, die vier Mal am Tag aktualisiert wird.“ Die neuen kompakten Sensoren sind auch ideal, wenn man Tests mit neuen Chemikalien durchführt, da der Vegapuls Air so leicht und flexibel zu installieren ist. Obwohl der Vegabar präzise Messungen liefert, sind die Messungen des Vegapuls Air laut Verkerk so zuverlässig, dass sie eine einfache Überwachung ermöglichen und einen schnellen Einblick in die Bestände geben: "Wir optimieren unsere Prozesse und sparen Zeit und Kosten. Letztlich tragen die Sensoren auch zur allgemeinen Sicherheit im Unternehmen bei.“

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Davon sollen in Zukunft auch andere Anwender profitieren: War DS Smith im Sommer 2020 noch Erstanwender, stehen die autarken Radarsensoren seit Dezember 2020 für den gesamten europäischen Markt zur Verfügung. Im Laufe des Jahres 2021 folgte die Zulassung außerhalb Europas.

* *Die Autorin ist freie Fachjournalistin.

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