Das 2003 vorgestellte Gerätekonzept basiert auf einem modularen Gehäusesystem, frei kombinierbaren Prozessanschlüssen sowie einer einheitlichen Bedienung für die von Vega unterstützten Messprinzipien Füllstand, Grenzstand und Druck. Sechs Jahre sind eine lange Zeit - vor allem im Hinblick auf die Verfügbarkeit neuer Speicherbausteine, Mikroprozessoren und Hochfrequenzbauteile. Neue Mikroprozessoren sorgen für beachtlich mehr Rechenleistung, die bei den Radarsensoren höhere Messraten und wesentlich komplexere Signalanalysen ermöglichen.

Ein Beispiel: Musste bislang der gesamte Messbereich von bis zu 70 m schrittweise abgetastet und anschließend zusammengesetzt werden, reichen jetzt Dynamik und Speichertiefe aus, um den Messbereich in einem einzigen Messzyklus abzutasten - bei einer verbesserten Trennung von Nutz- und Störreflexion sowie einer höheren Genauigkeit.

Maßgeblich beteiligt daran sind die neu konzipierten Mikrowellenmodule für das Cund K-Band mit Frequenzen von 6,3 GHz beziehungsweise 26 GHz. Deren um den Faktor vier höhere Empfindlichkeit gegenüber der früheren plics-Generation erweitert das Anwendungsgebiet in Richtung Flüssigkeiten, verflüssigte Gase sowie Schüttgüter. Damit ist die theoretisch mögliche Grenze bei der Empfindlichkeit fast erreicht, so dass dahingehend zumindest in diesen Frequenzbändern keine wesentlichen Verbesserungen mehr zu erwarten sind. Raum für künftige Entwicklungen bieten vor allem die Signalverarbeitung, Echo-Analyse und Gerätebedienung.

Ein weiteres Plus: Die Elektronikmodule wurden so ausgelegt, dass die Geräte über alle Messprinzipien mit 9,6 V Versorgungsspannung auskommen. Selbst die Radarsensoren mit ihrem prinzipbedingt höheren Energiebedarf können daher ohne Probleme an bestehenden Speisegeräten mit geringer Versorgungsspannung angeschlossen werden. Bei netzunabhängigen Anwendungen ist sogar ein Betrieb mit 12-V-Akkus möglich.

Marktzugang über Gehäuse und Prozessanschlüsse

Die Chemie stellt sehr heterogene Anforderungen, die das Geräteprogramm von Vega bislang nicht immer optimal abdecken konnte. Beispielsweise verlangt der Einsatz auf Schiffen und Offshore- Bohrplattformen vollkommen andere Gehäusekonzepte als die klassischen Chemie-Applikationen.

Ebenso gibt es Marktsegmente, für die bisherige Gehäusekonzepte überdimensioniert und damit zu teuer sind. Branchen wie die Pharma-, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie stellen wieder komplett andere Anforderungen an die Gehäuse hinsichtlich Material, Formgebung und Oberflächenbeschaffenheit. Die Konsequenz: Das modulare Gehäuseprogramm wurde mit Einführung der Gerätegeneration „plics plus" um drei Versionen erweitert: Das elektropolierte Einkammergehäuse aus Edelstahl (316L) ist mit seiner glatten Oberfläche einfach zu reinigen und erreicht die Schutzart IP66/IP68 (spritz- und druckwassergeschützt bis 0,2 bar).

Das bevorzugte Einsatzgebiet liegt in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemie- Industrie. Aus dem gleichen Material, nur als Feinguss hergestellt, besteht das Zweikammer-Edelstahlgehäuse, das für wesentlich rauere Applikationen im Schiffbau, Offshore oder in der Petrochemie konzipiert wurde. Hier sind branchenspezifische Maßnahmen gegen Explosionen die Regel, weshalb es diese Gehäuse- Variante auch mit Ex d-Zulassung gibt. Standard-Anwendungen in der Chemie wie auch im Bereich Wasser/Abwasser deckt das Zweikammer-Gehäuse aus Kunststoff ab.

Extreme Belastungen der Prozessanschlüsse

Noch extremer als die Gehäuse werden in aller Regel die Prozessanschlüsse hinsichtlich der Prozessdrücke, Temperaturen oder aggressiven Medien belastet. Eine Reihe von Maßnahmen sorgen bei diesen Parametern für bessere Kennzahlen: Eine spezielle Antennen-Einkopplung aus PEEK (Polyetheretherketon) erweitert den Temperaturbereich der Radarsensoren von bisher +200 auf +250 °C bei Prozessdrücken bis 100 bar. Mit einer hochbeständigen Aluminiumkeramik sind sogar bis zu +450 °C und 160 bar Prozessdruck machbar. Für extrem aggressive Medien stehen außerdem Versionen zur Verfügung, bei denen alle medienberührenden Bauteile wie die Antenne und die Flanschauflage aus Tantal bestehen. Bei solchen Applikationen schwindet die Grenze zwischen betriebsmäßiger und sicherheitsgerichteter Steuerungstechnik.

Daher ist es nur konsequent, dieses Themengebiet mit abzudecken. Vega hat daher die kompletten Entwicklungsprozesse nach den Anforderungen der IEC 61508 strukturiert und dokumentiert. Bei Bedarf kann künftig jeder Sensor auch als sicherheitsgerichtete Variante für Anwendungen bis SIL 2 (Safety Integrity Level) mit der notwendigen Dokumentation und den Zertifikaten geliefert werden.

Expertensystem bündelt Anwendungs-Know-how

So viel Technik will beherrscht sein, zumal die Randbedingungen sich verändert haben. Der Trend in der Chemie geht zu immer kleineren Behältern mit komplexeren Formen. Das stellt in Folge der schnelleren Pegeländerungen nicht nur höhere Anforderungen an die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Sensoren, sondern fordert ebenso die Projekteure. Sie müssen bei der Auslegung und Konfiguration der Messstellen immer mehr Randbedingungen beachten. Beispielsweise haben das zu detektierende Medium, die Ausführung des Behälterbodens und -deckels sowie die Behälterhöhe entscheidenden Einfluss auf die zuverlässige Funktion eines Radarsensors.

Lösungsmittel, chemische Gemische oder Laugen und Basen verursachen mit ihren unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten (DK) charakteristische Abweichungen der Reflexionen. Bei der Erfassung von Schüttgütern in Silos wird das Mess-Ergebnis verfälscht, wenn die Körnung des Mediums unberücksichtigt bleibt: Feine Pulver und Stäube reflektieren die Radarwellen anders als Granulate, Pellets oder Schotter.

Dies alles beeinflusst das Mess-Ergebnis und muss bei der Gerätekonfiguration beziehungsweise bei der Inbetriebnahme berücksichtigt werden. Dem trägt Vega mit speziellen Inbetriebnahme- und Diagnose- Assistenten Rechnung, mit denen der Projekteur die verschiedenen Applikationsbedingungen menügeführt spezifizieren kann. Die Assistenten sorgen für eine strukturierte Konfiguration, nicht nur beim Messprinzip Radar, sondern auch bei den Messprinzipien geführte Mikrowelle, Ultraschall, Druck und Differenzdruck. Das Expertensystem generiert daraus anschließend die eigentlichen Geräte- Einstellungen. Die Geräteparameter lassen sich auch aus anderen Konfigurationstools - zum Beispiel pactware, AMS (Emerson), PDM (Siemens) und Leitsysteme über FDT/DTM sowie über HART-Handheld und EDD (Electronic Device Description) - einstellen.

Neben dem neuen FDT-Style-Guide wurden die Richtlinien der Namur-Empfehlung NE 107 bezüglich der Diagnose-, Service- und Wartungsanzeigen umgesetzt. Sämtliche Geräte signalisieren ihren Status nach den darin festgelegten Zuständen und Farben: Geräte-Ausfall (rot), Wartungsbedarf (blau), Funktionskontrolle (orange), außerhalb der Spezifikation (gelb).

Messen durch die Behälterwand

Um das Anwendungsspektrum zu erweitern, nimmt Vega zwei neue Messprinzipien in das Sensorprogramm auf. Eine Mikrowellenschranke ermöglicht die berührungslose Grenzstandmessung von Schüttgütern und Flüssigkeiten. Der Sensor kommt vor allem bei der Messung von Schüttgütern zum Einsatz, bei denen aufgrund der starken Abrasion kein direkter Kontakt der häufig eingesetzten Schwinggabeln mit dem Medium gewünscht ist. Die Grenzstand-Erfassung funktioniert durch Fenster aus Kunststoffen, Glas oder Keramik hindurch und kann daher ohne großen Aufwand den örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Auch bei Flüssigkeiten bietet die Mikrowellenschranke Vorteile: Bei Kunststoffbehältern lässt sich ein Grenzstand ohne jegliche Behälteröffnung überwachen.

Noch umfassender einsetzbar ist die radiometrische Messtechnik. Deren Strahlungsquellen, zum Beispiel Cäsium, benötigen ebenso wenig eine Behälteröffnung für die Füllstandmessung: Ein Detektor ermittelt die Dämpfung der Strahlung und berechnet daraus ein füllstandproportionales Signal. Der weitere Vorteil dieses Messprinzips liegt in seiner Temperaturund Druckunabhängigkeit. Die Vielzahl an Innovationen fließt sukzessive in die Geräteserie ein. Den Anfang machen die Geräte-DTMs, ein SIL-fähiges Signalauswertegerät und der Differenzdrucksensor Vegadif 65 - eine komplette Eigenentwicklung auf Basis des bestehenden Drucksensoren-Programms, das nun auch die kostenorientierte Variante der Füllstandmessung abdeckt.

Optional sind in Verbindung mit Messblenden damit ebenso Durchflussmessungen möglich. Diese Funktion wurde auf Kundenwunsch in der Firmware berücksichtigt. Im Sommer folgen die Radarsensoren Vegaplus 60, die mit Temperaturen bis +250 °C und +450 °C belastbar sind, und Antennen mit einer höheren chemischen Beständigkeit. Zum Herbst steht die Markteinführung der Mikrowellenschranke als Grenzstandschalter sowie ein GSM/GPRS-Funkmodul mit integriertem Power-Management und Batterieversorgung an.

Autoren: Holger Sack leitet das strategische Marketing und Produktmanagement bei Vega in Schiltach.

Jürgen Skowaisa ist Produktmanager Radarsensoren bei Vega.