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Füllstandmessung Standard gesucht – Füllstandmessung kombiniert Altbewährtes mit Innovation

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Sabine Mühlenkamp / Dr. Jörg Kempf

Rund 20 verschiedene physikalische Messprinzipien stehen dem Anwender zur Bestimmung des Füllstands zur Verfügung. Um für die jeweilige Applikation das passende Messprinzip zu finden, ist eine genaue Analyse des Messortes notwendig.

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Füllstandmessumformer sind unerlässlich in der Prozessindustrie. Hier sind im Bild Füllstandmessumformer mit geführtem Radar in Zweileitertechnik zu sehen, die sich für Flüssigkeiten, Schlämme, Trennschichten und Schüttgüter eignen.
Füllstandmessumformer sind unerlässlich in der Prozessindustrie. Hier sind im Bild Füllstandmessumformer mit geführtem Radar in Zweileitertechnik zu sehen, die sich für Flüssigkeiten, Schlämme, Trennschichten und Schüttgüter eignen.
( Bild: Siemens )

Wie soll das ideale Füllstandmessgerät aussehen? Aus nachvollziehbaren Gründen ist für viele Anwender das auf der vergangenen Hauptsitzung aufgeworfene Namur-Standardgerät, dass 80 Prozent der Anwendungen abdecken soll, von großem Interesse. Das aus der Conjoint-Analyse hervorgegangene Idealgerät besitzt ein Metallgehäuse, eine Vorortanzeige und -bedienung, verfügt über Diagnosefunktionen, und die Anforderung an die Messgenauigkeit sind Standard.

Selbst die Hersteller zeigen sich aufgeschlossen. So begrüßt Krohne die Definition des Idealgerätes durch die Namur ausdrücklich. „Wir stimmen mit der Definition der Namur überein und nehmen sie sehr ernst. Im Moment sind wir dabei, die Anforderungen in unseren Geräten umzusetzen“, berichtet Volker Lenz vom Produktmanagement Füllstandmesstechnik bei Krohne. Auch bei Siemens sieht man sich gut gewappnet. Bei Grenzstandmessungen decken das Pointek CLS 300 und CLS 500 nach eigenen Angaben die Forderungen der Anwender ab. Bei kontinuierlichen Füllstandmessungen entsprechen der Sitrans LG 200, basierend auf dem Messprinzip der geführten Mikrowelle, und der Sitrans LC 500, der auch für Trennschichtmessungen geeignet ist, diesen Bedingungen.

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Tücken in der Praxis

„Die Bemühungen der Namur sind mit Blick auf den wachsenden Kostendruck und die sich aus einer Produktstandardisierung ergebenden Einsparpotenziale nachzuvollziehen“, bestätigt Dr. Klaus Kluger, Direktor Marketing und Sales für den Bereich Instrumentierung bei Emerson, sieht jedoch Tücken in der Praxis: „Natürlich finden Sie schon heute ein solches Gerät in unserem Produktprogramm. Die tägliche Erfahrung mit unseren Anwendern zeigt uns jedoch, dass es ein Idealgerät nicht gibt.“ Seiner Meinung nach lassen die vielfältigen Applikationen in den verschiedenen Bereichen der Füllstandmessung eine solche Standardisierung gar nicht zu. Unterschiedliche Prozessbedingungen, Dielektrizitätskontstanten der Medien, Einbauten u.ä. machen eine spezifische Auswahl des geeigneten Gerätes und seiner Antenne erforderlich. „Auch für uns als Hersteller wäre eine Standardversion eines Füllstandgerätes aus produktionstechnischer Sicht her ideal“, räumt Dr. Kluger ein. „Die Anforderungen unserer Kunden nehmen auf diesen Wunsch aber keine Rücksicht und so werden wir unser Portfolio weiter breit aufstellen.“

Wesentlich anspruchsvoller: kontinuierliche Füllstandmessung

Diese Erfahrungen teilt Stefan Rejda vom Marketing Füllstand bei Endress+Hauser und benennt den Liquiphant-Vibrationsgrenzschalter für Flüssigkeiten, den es bereits seit 20 Jahren im E+H-Programm gibt, als Standardgerät. Die Anwendungen in der kontinuierlichen Füllstandmesstechnik seien jedoch sehr viel anspruchvoller, etwa bei verflüssigten Gasen oder Schüttgütern bei extremen Temperaturen und Drücken. Für Rejda steht daher fest: „Für die kontinuierliche Füllstandmessung ist ein Idealgerät für 80 Prozent der Anwendungen heute und in naher Zukunft nicht verfügbar.“

Sollten die Anwender allein aus Kostengründen für ein solches Standardgerät plädieren, dämpft Vega-Geschäftsführer Günter Kech die Hoffnungen. „Unsere Geräte sind immer im Hinblick auf die Anforderungen der Namur entwickelt worden. Aber wir sind Hersteller von variantenreichen Geräten und entsprechend organisiert. Für den Preis eines Gerätes spielt die Reduzierung der Anwendungsvielfalt nahezu keine Rolle, da die Geräte modular aufgebaut sind.“ Vielmehr beeinflussen Normierungen wie Ex-Vorschriften, EMV-Richtlinien und vor allen Dingen die SIL-Konformität den Preis von Feldgeräten für die Prozessindustrie.

Je kritischer die Anwendung, desto wichtiger die Diagnose

Einig sind sich Anwender und Hersteller, dass die Diagnosefähigkeit von Feldgeräten an Bedeutung gewinnen wird. Je kritischer eine Applikation und damit verbunden ein möglicher Anlagenstillstand ist, umso notwendiger ist für den Betreiber die Möglichkeit der Diagnosefähigkeit. „Diagnose hilft, die Kosten bei den Anwendern zu reduzieren, muss sich aber wirtschaftlich rechnen“, ist Rejda überzeugt. Entscheidend bei der Umsetzung ist der enge Austausch zwischen Anwendern und Herstellern, damit unsinnige Meldungen vermieden werden. „Wir sind seit vielen Jahren in den Arbeitskreisen aktiv, welche die Diagnosen definiert haben. Außerdem pflegen wir einen sehr engen Kontakt zu den zuständigen Füllstand-Fachabteilungen und Spezialisten unserer Kunden“, berichtet Lenz. „Insofern kennen wir die Sorgen und Probleme der Anwender mit Füllstandmesssystemen in realen Applikationen.“

Gefordert: Mehr Informationen über den Zustand des Feldgerätes

In Zukunft gilt es, weitere zusätzliche Informationen über den Zustand des Feldgerätes verfügbar zu machen. Das häufigste Problem ist, dass die Daten nicht automatisch zur Überwachung der Geräte zur Verfügung stehen – es sei denn, die Servicetechniker kommunizieren direkt mit dem Gerät über Hersteller spezifische oder Hart-Protokolle zum Laptop oder ähnlichen Geräten. Mit der Einführung von Feldbussystemen lassen sich aktuelle Alarmzustände vom Gerät und vom zu überwachenden Prozess melden und im Voraus Mitteilungen zu notwendigen Instandhaltungsmaßnahmen direkt an das Betriebspersonal leiten.

„Um die Diagnosefunktionalität der neuen Geräte in vollem Umfang zu nutzen, muss auf der Leittechnik-Seite die entsprechende Gerätebeschreibung vorhanden sein“, gibt Hans-Georg Kumpfmüller, Leiter Business Unit Sensors and Communication im Siemens-Sektor Industry, zu bedenken. Für diese Aufgabe werden bei Siemens in enger Zusammenarbeit zwischen Leit- und Feldtechnik enhanced EDDLs erstellt. „Durch diese enge Verflechtung versetzen wir unsere Kunden in die Lage, eine effiziente Anlagenverwaltung durchzuführen. Wir sind davon überzeugt, dass die Nachfrage zu Asset Management-Lösungen in der Prozessindustrie wachsen wird, da die Vorteile der Diagnoseüberwachung immer mehr erkannt werden.“

Enge Verknüpfung von Leitsystem und Feldgerät

Auch bei Emerson setzt man auf die enge Verknüpfung von Leitsystem und Feldgerät. „Wir sind ja nicht nur Hersteller von Feldgeräten, sondern auch Hersteller von Prozessleitsystemen. Schon von daher hat die Diagnosefähigkeit für uns hohe Priorität“, ergänzt Dr. Kluger. „Aber erst die Einbindung der Geräte in das Leitsystem oder die Nutzung der Diagnosefunktionalitäten durch Einbindung einer Asset Management Software wie unserer AMS Suite ermöglichen es dem Anwender, mit vorausschauender Wartung Anlagenstillstände zu vermeiden und so die Effizienz der Prozesse zu steigern.“

Die Diagnosefähigkeit wird vor allem dort gefragt sein, wo ein hoher Automatisierungsgrad in der Produktion erreicht werden soll, um vorbeugende Wartung zu ermöglichen. „Dieses Feld bietet viele Möglichkeiten und steht – was die Umsetzung angeht – erst am Anfang“, äußert sich Kech optimistisch, weist aber darauf hin, dass derzeit hauptsächlich analoge Feldmessgeräte – mehr als 80 Prozent – eingesetzt werden, die nahezu keine zentralen Diagnosemöglichkeiten zulassen.

Neues um jeden Preis?

So soll nicht verschwiegen werden, dass neue Technologien nicht automatisch bestehende Standards ablösen – auch mechanische Verfahren, wie Verdränger- und Schwimmersysteme, werden noch weiter ihre Berechtigung haben. Mit dem Übergang von altbewährtem zur neuer Technologie geht man jedoch ganz pragmatisch um. „Das Bessere ist der Feind des Guten“, zitiert Vega-Geschäftsführer Kech den Philosophen Voltaire und ist davon überzeugt, dass einige altbewährte Messverfahren verschwinden oder in der Bedeutung stark zurückgehen und durch Radar ersetzt werden. „Daher wird bei uns neben der Zuverlässigkeit der Messung vor allem die Ausweitung des Anwendungsspektrums unserer Radarmessgeräte im Mittelpunkt unserer Weiterentwicklung stehen.“

Dass altbewährte Messverfahren durchaus Potenzial für innovative Weiterentwicklungen bieten zeigt sich am Beispiel der kapazitiven Produktfamilie Liquicap M von Endress+Hauser, die im Jahr 2005 in den Markt eingeführt wurde. Sie besitzt die besondere Eigenschaft, dass die kapazitive Sonde nicht mehr auf das Medium abgeglichen werden muss. Ein weiteres Beispiel ist die Weiterentwicklung des Schwinggabelgrenzschalters Liquiphant zur kontinuierlichen Dichtemessung Ende 2007.

Bewährte Messtechnik für neue Anwendungen

Spannend wird es auch, wenn bewährte Messtechniken auf neue Anwendungen übertragen werden, wie das Beispiel von Krohne zeigt. So wurden die 10 GHz FMCW-Radarmessgeräte in Reduktionsöfen, in denen Ferrolegierungen in der Eisen- und Stahlindustrie erschmolzen werden, eingesetzt. Anwendungen dieser Art stellen ganz besondere und komplexe Anforderungen: Dies beginnt bei den sehr eingeschränkten Einbauverhältnissen oberhalb des Ofens, die zum Teil sehr komplex gebogene Antennenverlängerungen erfordern, um die Messaufgabe zu erfüllen.

Weiter erschwert wird die Messung durch Hochstromleitungen der 120 MVA-Öfen, die EMV-technisch zu berücksichtigen sind. Schlussendlich findet man in dieser Anwendung sehr hohe Umgebungstemperaturen von bis zu 200 °C und Prozesstemperaturen von bis zu 1600 °C. „Mit einer interdisziplinären Zusammenarbeit von Mechanikern, Soft- und Hardwareentwicklern konnte Krohne diese Aufgabe erfolgreich meistern“, erinnert sich Lenz. „Der Kunde war mit den ersten Geräten so zufrieden, dass er uns auch für die Folgeaufträge mit über 100 Geräten das Vertrauen schenkte.

Neue Technologien sind kein Allheilmittel

Wenn neue Technologien entwickelt und eingeführt werden, entsteht oft die Tendenz, diese Technologie als das Patentrezept für alle existierenden Probleme bei bisher entwickelten Messtechnologien zu positionieren. „Verschiedene Technologien für unterschiedliche Applikationen rechtfertigen ihren Platz am Markt. Wir werden daher durch Entwicklungsprojekte alle Messtechnologien zur Füllstandmessung unterstützen“, macht Kumpfmüller klar. So hat Siemens kürzlich den Füllstandmesser Sitrans Probe LU auf den Markt gebracht, der Messgenauigkeiten von 0,15 Prozent im Messbereich garantiert. Diese Entwicklung war bis vor Kurzem in der Ultraschallmessung undenkbar.

Interessant dürften auch die Varianten sein, die über die Sensoren hinausreichen. Ein Beispiel ist die Smart Wireless-Technologie von Emerson, die es erlaubt, Feldgeräte und Sensoren über Funk in einem sich selbst organisierenden Netzwerk sicher mit dem Leitsystem zu verbinden. Daraus könnten sich völlig neue Möglichkeiten ergeben und Messungen erlauben, die sich bisher wegen der mit dem Verlegen von Kabeln verbundenen Kosten verboten haben.

Was gab ess Neues im Jahr 2008?

Mit Abschluss des Jahres 2007 wurden nahezu alle Produkte bzw. 13 Produktfamilien bei Endress+Hauser auf den neuesten technischen Stand gebracht. Im Jahr 2008 stehen weitere Verbesserungen, speziell im Bereich der Laufzeitmessgeräte an.

Krohne wird sich bei den technischen Entwicklungen in der Füllstandmesstechnik auf die Weiterentwicklung der FMCW-Radar- und TDR-Messgeräte konzentrieren.

Vega wird auf die Erfolge im Bereich Radar aufbauen und diese für die Füllstandmessung wichtigste Technologie weiter verbessern. Die an die Anwendungen angepasste Software spielt dabei eine Schlüsselrolle. In Bezug auf ein Universalfüllstandmessgerät für die Prozessmesstechnik kommen die Geräte nach Aussagen von Vega schon ziemlich nahe, bieten aber dennoch Potenzial für Detailverbesserungen. Für Radar-Füllstandmessgeräte gibt es viele Anwendungsmöglichkeiten, die bislang von den Kunden noch nicht erkannt wurden. Ein Beispiel sind Radargeräte für Schüttgutanwendungen, deren Siegeszug gerade erst begonnen hat.

Siemens bietet eine Vielfalt von Technologien zur Füllstandmessung für die Prozesskontrolle und Bestandsüberwachung. Da nicht eine einzige Technologie allen Anforderungen an genaue, kontinuierliche Messungen und Grenzstanderfassungen, bei unterschiedlichen Messbedingungen entsprechen kann, wird sich Siemens nicht auf die Entwicklung einer Technologie für die Füllstandmessung konzentrieren, sondern weiterhin in Projekte zur Messung mittels Ultraschall, Radar, Kapazität, Wägung und Druck investieren.

Emerson Process Management hat sein Produktportfolio im Bereich der Füllstandmessung in den letzten Jahren kontinuierlich erweitert. Neben den DP Level und Radargeräten (freistrahlend und geführte Mikrowelle) sind durch die Akquisition von Mobrey berührungsloses Ultraschall, Schwinggabel, Schwimmerschalter und weitere interessante Produkte aus dem Bereich der Grenzschalter hinzugekommen, die das Produktangebot abrunden. Emerson wird dies weiter durch applikationsspezifische Neuerungen ergänzen, wobei ein Schwerpunkt auf den neuen Prozessradargeräten (Modellreihen 5300 und 5400) liegen wird, die mit einer Vielzahl an Antennenoptionen eine breite Palette von Applikationen abdecken.

Die Autorin ist redaktionelle Mitarbeiterin bei PROCESS.

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