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Füllstände kontinuierlich überwachen

Bild 1. Das bewährte Portfolio von ABB zur Füllstandmessung umfasst unter anderem Füllstandmessumformer mit Ultraschall, Laser, magnetostriktivem Messprinzip und mit geführter Mikrowelle sowie Magnetklappen Füllstandanzeiger (v. l. n. r.)

Bild 2. Funktionsprinzip der Ultraschallmessung

Bild 3 . Aufbau der Füllstandmessung mit Laser

Bild 4. Füllstandmessung mit geführtem Radar

Die Messung von Füllständen in einer Prozessanlage gleicht in vielerlei Hinsicht der Überwachung des Straßenverkehrs. Es ist unmöglich, das Geschehen zu jeder Zeit lückenlos zu erfassen. So wie nicht jede Übertretung von Geschwindigkeitsbeschränkungen entdeckt wird, entgeht auch manchmal der flüssige Inhalt von Tanks oder Kesseln dem Überwachungssystem. Dementsprechend erleichtert die automatisierte Aufzeichnung von permanenten Füllstandmessungen das Prozessmanagement, die Einhaltung von Vorschriften sowie die Kostenkontrolle.

Technologien, die eine automatisierte Aufzeichnung von kontinuierlichen Füllstandmessungen ermöglichen, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Angesichts des Trends in Richtung vollautomatisierter Prozessabläufe und der Notwendigkeit der Einhaltung strenger Vorschriften, kennzeichnen sich diese Technologien durch große Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Ein umfangreiches Portfolio an bewährten Geräten zur Messung von Füllständen bietet auch ABB (Bild 1).

Laufzeitmessung zur kontinuierlichen Füllstanderfassung
Eines der wichtigsten Merkmale der Technologien für die kontinuierliche Füllstandmessung ist die Verwendung von Laufzeitmessungen (Time-of-Flight = TOF), um den Füllstand in einen maschinenlesbaren Ausgangswert umzuwandeln. TOF-Technologien basieren auf der Messung des Abstands zwischen dem Flüssigkeitspegel und einem Referenzpegel im oberen Bereich des Vorratsbehälters.
Ein am Referenzpegel erzeugter Wellenimpuls wandert durch den Dampfraum, wird von der Flüssig-keitsoberfläche reflektiert und kehrt wieder zu einem Geber am Referenzpegel zurück. Dabei misst eine elektronische Zeitgeberschaltung die Gesamtlaufzeit. Die Distanz ergibt sich aus der Laufzeit dividiert durch das Doppelte der Wellengeschwindigkeit. Anschließend muss nur noch diese Distanz von der Behälterhöhe abgezogen werden, um den Pegelstand der enthaltenen Flüssigkeit zu ermitteln.
Diese Beschreibung setzt voraus, dass die Dichte des Dampfs im Kopfraum (normalerweise Luft) im Vergleich zu derjenigen der Prozessflüssigkeit vernachlässigbar ist. In den meisten Fällen wird außerdem vorausgesetzt, dass sich eine einzelne, homogene Flüssigkeit im Behälter befindet. Einige dieser Technologien lassen sich auch für Trennschicht-Messungen einsetzen, bei denen sich zwei oder mehr nicht mischbare Flüssigkeiten im gleichen Behälter befinden.

Magnetostriktive Messung am Draht entlang
TOF-Technologien unterscheiden sich hauptsächlich hinsichtlich der Art der Wellen, die verwendet werden, um die Messungen durchzuführen. Torsionswellen, Ultraschall, Mikrowellen (Radar) und Licht (Laser) haben sich alle in Systemen für die kontinuierliche Füllstandmessung bewährt.
Die Verwendung eines mit einem Magneten ausgerüsteten Schwimmers stellt eine elegante Lösung dar, um die Oberfläche einer Prozessflüssigkeit ausfindig zu machen. Moderne Schwimmer sind auf die relative Dichte, den Druck und die Temperatur einer Anwendung individuell abstimmbar. Demenstprechend können magnetostriktive Füllstandmessumformer konventionelle mechanische Anzeigesysteme ersetzen. Bei ihnen breitet sich eine Torsionswelle in einem Draht aus, um den mit einem Permanentmagneten ausgestatteten Schwimmer zu erfassen und seine Position zu übermitteln. Durch die Öffnung in der Mitte des Magneten verläuft ein Sensordraht, der zwischen einem piezomagnetischen Sensor auf der Oberseite des Behälters und einer Halterung am Behälterboden gespannt ist.

Da das magnetische Feld des Permanentmagneten kreisförmig aufgebaut ist, befindet sich ein Magnetpol in der Mitte des Felds und der andere verläuft entlang des äußeren Rands. Um den Magneten und dadurch den gesamten Schwimmer zu erfassen, sendet der magnetostriktive Füllstandmessumformer einen kurzen Stromimpuls durch den Draht aus, der auf seinem Weg das Magnetfeld durchquert. Die Reaktionskraft auf die Lorentzkraft erzeugt eine Torsionswelle, die sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit in beiden Richtungen im Draht ausbreitet.
Ist die Welle oben am Behälter angekommen, erregt sie den piezomagnetischen Sensor. Dieser sendet ein elektrisches Signal aus, das einer Zeitgeberschaltung das Eintreffen der Torsionswelle meldet. Anschließend misst die Zeitgeberschaltung die Zeit zwischen der Ausgabe des Stromimpulses und dem Eintreffen der Torsionswelle. Wenn der Schwimmer mit dem Flüssigkeitspegel steigt, wird diese Zeitspanne kürzer. Das einzige bewegliche Teil dieses Systems ist der Schwimmer, der sich abhängig vom Flüssigkeitspegel nach oben und unten bewegt. Die Abstandsmessung erfolgt ohne bewegliche Teile.

Berührungslose Messverfahren
Ultraschallgeräte messen den Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche anhand der Zeit, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um von einem Sensor zur Flüssigkeitsoberfläche und wieder zurückzugelangen (Bild 2). Die Frequenz der von den Sensoren verwendeten Wellen liegt im zweistelligen kHz-Bereich. Die Laufzeit beträgt ungefähr 6 ms/m. Die Geschwindigkeit des Schalls, die von der Zusammensetzung sowie der Temperatur der Gase im Luftraum abhängt, beträgt 340 m/s bei einer Lufttemperatur von 15 °C.
Nach einem ähnlichen Funktionsprinzip arbeiten Lasermessgeräte, die für Schüttgut, Schlämme und undurchsichtige Flüssigkeiten, wie Milch, Schmutzwasser und flüssiges Styrol vorgesehen sind. Anstelle der Schallgeschwindigkeit wird die Lichtgeschwindigkeit verwendet, um den Flüssigkeitspegel zu ermitteln (Bild 3). Dabei gibt ein Laser im Bereich der Behälteroberseite einen kurzen Lichtimpuls in Richtung der Prozessflüssigkeitsoberfläche aus, wo er reflektiert wird und wieder zu einem Detektor im Dach des Behälters gelangt. Eine Zeitgeberschaltung misst die abgelaufene Zeit und berechnet den Füllstand.
Diese Option ist deshalb so attraktiv, weil es bei Lasern praktisch zu keiner Streuung des Lichtstrahls (0,2° Strahlstreuung) sowie keinen falschen Echos kommen kann. Zudem lässt sich der Strahl durch enge Bereiche lenken. Laser ermöglichen auch dann präzise Messungen, wenn Ausformungen vorhanden sind oder der Dampfraum äußerst klein ist.

Mikrowellen mit und ohne Führung
Offene Radarsysteme senden Mikrowellen entweder über ein Horn oder einen Parabolspiegel auf der Oberseite des Behälters nach unten. Das Signal wird, nachdem es eine Änderung der dielektrischen Konstante zwischen Dampf und Flüssigkeit erkannt hat, von der Flüssigkeitsoberfläche zurück zur Quelle reflektiert. Eine Zeitgeberschaltung misst die Umlaufzeit und berechnet den Abstand zum Flüssigkeitspegel.
In offenen Systemen kommt es bei Mikrowellen zu den gleichen Strahlstreuungsproblemen, wie beim Ultraschall. Dementsprechend schränken interne Rohrleitungen, Ablagerungen auf der Antenne und Mehrfachreflexionen vom Tank die Leistungsfähigkeit dieser Systeme ein.
Um diese Einschränkungen zu beseitigen, gibt es auch geführte Radarsysteme. Diese haben eine starre Sonde oder ein flexibles Kabel, um die Mikrowellen durch den gesamten Tank und wieder zurückzuleiten (Bild 4). Die Mikrowellen setzen sich entlang der Sonde fort, gelangen auf geradem Wege nach unten und (nachdem sie von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert worden sind) wieder zurück nach oben.
Ein geführtes Radar ist 20-mal effizienter als ein offenes Radar, da durch die Führung ein konzentrierterer Energiepfad möglich ist. Folglich ist das geführte Radar ein vielseitigeres Instrument; es ist entweder vertikal oder horizontal installierbar und ermöglicht es die Führung um bis zu 90° oder winklig auszurichten, ohne dass die Qualität des Messsignals beeinträchtigt wird.

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Autor: Isabelle Ruf ist Applikationsspezialistin Füllstand Messtechnik bei der ABB Automation Products GmbH in Alzenau.