Digitale Füllstandsmessung von Feststoffen

Die genaue und zuverlässige Messung und Regelung des Füllstands von Feststoffen unterstützt Unternehmen nicht nur bei der Optimierung ihrer Bestandsverwaltung, sondern erhöht auch die Sicherheit beim Überfüllschutz. Die Messung des Füllstands von Feststoffen in Prozessbehältern und Lagersilos ist für eine Vielzahl von Anwendungen in vielen Industriezweigen wie Chemie, Mineralien, Metalle, Bergbau und Energie ist nicht einfach und unerlässlich. Während der Füllstand von Flüssigkeiten in der Regel überall im Behälter gleich ist und daher an einem Punkt an der Oberfläche gemessen werden kann, ist die Oberfläche bei Feststoffen uneben und weist beim Befüllen und Entleeren der Behälter ständig wechselnde Erhöhungen und Vertiefungen auf. Zudem gehen Feststoffanwendungen oft mit schwierigen Umgebungsbedingungen einher, bei denen Vibrationen, große Staubmengen und Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante die Genauigkeit bestimmter Füllstandsmesstechnologien beeinträchtigen können.

Manuelle oder automatisierte Messungen

Mechanische Geräte wie „Jo-Jos“, bei denen ein Gewicht an einem Faden zur Materialoberfläche abgesenkt wurde, wurden früher üblicherweise zur Messung des Füllstands von Feststoffen verwendet. Diese Geräte sind jedoch nach modernen Maßstäben rudimentär, und das Personal muss für manuelle Messungen auf hohe Behälter steigen, wodurch Gefahren für das Personal und die Möglichkeit menschlicher Fehler bestehen. Wie alle mechanischen Geräte müssen sie regelmäßig gewartet werden, damit sie nicht zu ungelegenen Zeiten ausfallen.

Im Gegensatz dazu ermöglicht es die moderne digitale Automatisierungstechnologie dem Personal in der Leitwarte, umgehend auf Daten von abgelegenen Tanks zuzugreifen, wodurch die Anlageneffizienz gesteigert wird. Die Umstellung von manuellen Messungen und mechanischen Geräten auf automatisierte Technologie erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung. Darüber hinaus werden Wartungskosten gesenkt, die Arbeitssicherheit erhöht und der Zeitaufwand reduziert, so dass sich das Personal auf andere Aufgaben konzentrieren kann.

Berührungslose Radarmessumformer

Berührungslose Radarmessumformer können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich des Materialgewichts, so dass diese Geräte in Anwendungen eingesetzt werden können, für die sich Messumformer mit geführter Mikrowelle aufgrund der Zugkräfte oder möglichen Beschädigung der Sonde nicht eignen. Die neuen modernen berührungslosen Radarmessgeräte können Prozessrauschen unterdrücken, wodurch die Amplitude der Signalreflektion von der Oberfläche maximiert wird. Dies ermöglicht wiederum die Messung von Feststoffen mit sehr geringer Dielektrizitätskonstante über große Bereiche in den schwierigsten Anwendungen.

Während Messumformer mit geführter Mikrowelle den Füllstand an einem einzigen Punkt an der Oberfläche messen, verwenden die neuesten berührungslosen Radarmessgeräte wie der Rosemount 5408 Füllstandsmessumformer mit berührungslosem Radar von Emerson einen Algorithmus, der die Erhöhungen einer unebenen Fläche innerhalb des Radarfußabdrucks verschmilzt. Dadurch liefern sie eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit auch bei schnellen Füllstandsänderungen.

Der hohe Energiebedarf von Radarmessumformern auf Basis der FMCW-Technologie (frequenzmoduliertes Dauerstrichradar) hat in der Vergangenheit dazu geführt, dass in der Regel vieradrige Geräte eingesetzt wurden. Dafür konnte eine zusätzliche Kabelinfrastruktur erforderlich sein, deren Installation teuer und zeitaufwändig war. Jedoch haben neue Entwicklungen mit energieeffizienten Radar-Chips dafür gesorgt, dass die neuesten FMCW-Geräte einen geringeren Energiebedarf haben. Daher benötigen sie nur zwei Adern für die Stromversorgung und Kommunikation. Anwender können somit vom guten Ansprechvermögen und der Genauigkeit der FMCW-Technologie profitieren, ohne eine zusätzliche Infrastruktur installieren zu müssen.

Kalkverarbeitungsanlage – eine schwierige Umgebung

Die Betriebsbedingungen in Anlagen zur Herstellung von Kalk, Kalkstein und Ton stellen aufgrund der Produktionsprozesse und der Art der Produkte eine Herausforderung für die Automatisierungstechnik dar. In einer großen Kalkverarbeitungsanlage in den USA gab es eine Reihe von Anwendungen, für die das Produktionsteam mehrere Feststoffmesstechnologien ausprobiert hat – mit unterschiedlichem Erfolg. Hier beschreiben wir zwei dieser Anwendungen und wie die angetroffenen Herausforderungen mit modernen Radarmessumformern gemeistert wurden.

Zwischenbunker für Löschkalk

Die erste Anwendung betraf einen Zwischenbunker für Löschkalk, durch den das fertige Produkt läuft, bevor es in große Lagersilos befördert wird. Das Unternehmen wollte einen Schneckenförderer einsetzen, um das Material mit gleichmäßiger Geschwindigkeit aus dem Zwischenbunker zu befördern. Dazu war eine optimale Füllhöhe erforderlich, aber es war schwierig, einen stabilen Messwert zu erhalten. In dem kleinen Zwischenbunker verdichtete sich das Material in manchen Bereichen, und in anderen bildeten sich Lücken und Mulden. Als Gegenmaßnahme wurden pneumatische Rüttler eingesetzt, um das Material zu schütteln und neu zu verteilen.

Bisher wurde eine kapazitive Sonde für die Füllstandsmessung eingesetzt, aber diese Messungen schwankten und sprachen nur langsam auf Füllstandsänderungen an. Darüber hinaus verkürzten die starken Vibrationen die Lebensdauer der kapazitiven Sonde auf wenige Monate. Da der Zwischenbunker nur circa 1,2 Meter (4 Fuß) hoch ist, war die geführte Mikrowelle die perfekte Wahl.

Ein Rosemount 5303 Radar-Füllstandsmessumformer mit geführter Mikrowelle von Emerson wurde als Ersatz für die kapazitiven Sonden ausgewählt. Ein entscheidender Vorteil der Rosemount Messumformer mit geführter Mikrowelle besteht in der Fähigkeit, genaue Messungen in kleinen Tanks mit schnell wechselnden Füllständen zu liefern, was für diese Anwendung entscheidend ist und den Erhalt eines gleichmäßigen Füllstands ermöglicht. Die Konfiguration des Gerätes gestaltete sich dank der benutzerfreundlichen Software-Schnittstelle unkompliziert.

Da die Sonde parallel zur Neigung des Behälters installiert wurde, musste die horizontale Füllstandsmessung um die Neigung korrigiert werden. Dazu musste nur der Winkel der Sonde in die Software eingegeben werden. Entscheidend ist, dass das Gerät von Emerson mit einem Gehäuse für die abgesetzte Montage erhältlich ist, so dass der Messumformerkopf abseits der Sonde montiert werden konnte. So wird die Elektronik vor Vibrationen geschützt, was wiederum die Lebensdauer des Geräts verlängert. Seit der Installation hat sich das Gerät als sehr zuverlässig erwiesen, und dank der Verbesserung der Messgenauigkeit ist der Prozess viel stabiler geworden.

Kohlesilos

Die Kohle, die zum Heizen der Öfen in der Anlage genutzt wird, wird in 34 Meter (112 Fuß) hohen Silos gelagert. Füllstandsmessungen sind für die Bestandsüberwachung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Öfen immer mit Brennstoff versorgt sind. Die Kohle wird gleichzeitig aus beiden Silos entnommen, und mit den Messungen wird bestimmt, wann Kohle nachbestellt werden muss. Da es keinen Platz zur Lagerung von überschüssigem Brennstoff gibt, ist eine gute Lagerverwaltung entscheidend.

Zuvor wurden die Messungen in den Silos mit Ultraschall-Füllstandssensoren durchgeführt. Allerdings setzte das Gerät gelegentlich aus, und trotz mehrerer Aufträge zur Untersuchung und Beseitigung des Fehlers wurde die Ursache nie gefunden. Wegen der Unzuverlässigkeit vermied man es, das Silo auf unter 40 Prozent zu entleeren.

Das Produktionsteam entschied sich, das Gerät durch einen Rosemount 5408 Füllstandsmessumformer mit berührungslosem Radar zu ersetzen. Aufgrund der Höhe des Silos wurde zur Ausrichtung der Radarsignale eine Parabolantenne installiert. Normalerweise würde man ein Luftspülungssystem einsetzen, um zu verhindern, dass Staub die Antenne blockiert, aber da die Kohle oft feucht war, wurde Staub nicht als Problem angesehen.

Bei wärmerem Wetter begann das Radargerät leider genauso zu reagieren wie das Ultraschallgerät und setzte kurzzeitig aus. Eines der Hauptmerkmale des Rosemount 5408 ist jedoch sein integriertes Datentrendprotokoll, das Daten automatisch für bis zu sieben Tage sammelt und speichert, wodurch die Störungsbeseitigung erheblich vereinfacht wird. Mit dem Datentrendprotokoll und der begleitenden Tankradarechokurve wurden große Signalspitzen in der Nähe der Antenne gefunden, die den Zeiten entsprachen, bei denen das Gerät bei hohen Messwerten aussetzte. Der Einblick in die veränderten Prozessbedingungen stand mit dem Ultraschallgerät nicht zur Verfügung.

Eine Überprüfung des Geräts während dieser Spitzen zeigte, dass Feuchtigkeit an der Antenne kondensierte, was die hohen Füllstandsmesswerte verursachte. Im Sommer sorgten die feuchte Kohle und die große Hitze für eine sehr feuchte Umgebung im Behälter, und Kondensat trat an der Oberfläche auf. Luftleitungen wurden installiert, um die Feuchtigkeit wegzublasen. So wurde das Kondensatproblem beseitigt. Anschließend hat das Radargerät gut funktioniert und genaue, zuverlässige Messungen geliefert. Letztlich wurde ein zweites Radargerät mit Parabolantenne und Luftspülungssystem am zweiten Silo installiert.