Kein Messprinzip zur Füllstanderfassung eignet sich für alle Anwendungsbereiche gleichermaßen. Es gilt daher, jeweils das Messsystem auszu­wählen, das zuverlässig unter den an­wendungsspezifischen Gegebenheiten funktioniert und gleichzeitig den wirtschaftlichen Überlegungen von morgen standhält. Bei den Technologien für geführtes und frei abstrahlendes Radar in den unterschiedlichsten Applikationen aller Branchen kommen die vier Frequenzen 80 GHz, 26 GHz, 6 GHz und 1 GHz in Frage. 

Im Wesentlichen hängt die Auswahl der am besten geeigneten Radarfrequenz für die Füllstandmessung von drei Faktoren ab: dem Medium, dessen Eigenschaften (beispielsweise Schaumbildung) und der Beschaffenheit des Behältnisses, in dem gemessen wird. Während sich die 80-GHz-Radartechnologie insbesondere für hochgenaue Messungen in engen Behältern und mit großen Messbereichen eignet, ist das 26-GHz-Radar eher ein Generalist, der auch bei Turbulenzen (zum Beispiel in Tanks, Reaktoren und Mischbehältnissen) zuverlässig arbeitet. Die Vorteile der 6-GHz-Technologie liegen in der Unempfindlichkeit gegenüber starker Kondensatbildung und großen Turbulenzen. Durch die Planar-Antenne bei 6-GHz-Geräten ergeben sich optimale Messwerte in Schwallrohren >DN150. Das geführte Radar in 1-GHz-Technologie eignet sich für schaumbildende Medien oder Medien mit sehr geringen DK-Werten; es wird für Trennschichtmessungen ebenso genutzt wie für Bypass-Anwendungen. 
 

Das 80-GHz-Radar

Noch relativ jung ist die 80-GHz-Technologie, wie sie Endress+Hauser beispielsweise im ‚Micropilot FMR6x‘ realisiert hat. Bei Verwendung einer Antennenvariante ‚DN80‘ wird hier ein Abstrahlwinkel von 3° erreicht. Diese starke Fokussierung ermöglicht eine einfache Inbetriebnahme, da vorhandene Einbauten in der Applikation nur geringe oder keine Einflüsse auf das Reflektionssignal haben. 

Der 'Micropilot FMR62' von Endress+Hauser mit 80 GHz ermöglicht dank dem Abstrahlwinkel von 3° insbesondere in Behältern mit vielen Einbauten zuverlässige Messungen.

© Endress + Hauser

Die speziellen Vorteile der 80-GHz-Technologie lassen sich an einer realisierten Messung in der Branche ‚Life Sciences‘ bei der Herstellung des Mediums Pankreatin gut aufzeigen: Das Pankreatin wird getrocknet und in Quarantäne in einem Silo aufbewahrt. Dieses Silo läuft unten schmal zu, wobei sich am Übergang zwischen dem zylindrischen und dem konischen Teil Schweißnähte befinden. Bisher war hier ein frei abstrahlendes Radar-Füllstandmessgerät mit einer Arbeitsfrequenz von 26 GHz eingesetzt. Allerdings ergaben sich – aufgrund des geringen Abstands zur Behälterwand und stark schwankenden Anhaftungen des Mediums am Übergang zum konischen Teil des Silos – starke Störreflexionen. Diese Reflexionen wurden im Leerzustand des Silos als Füllstand ausgegeben. Ergo war unter diesen Voraussetzungen mit 26 GHz trotz zahlreicher Ausblendungsversuche keine zuverlässige Messung möglich.

Anders mit dem ‚Micropilot FMR62‘: Aufgrund des 3°-Abstrahlwinkels lassen sich – ohne Ausblendung – Störreflexionen an der Schweißnaht oder den schwankenden Anhaftungen vermeiden. Sowohl den Füllstand als auch den Leerzustand im Silo erfasst der Sensor zuverlässig.

Die speziellen Vorteile der 80-GHz-Technologie ergeben sich zum einen aus der hohen Frequenz des Mikrowellensignals und zum anderen aus der Er­zeugung des Mikrowellensignals nach dem FMCW-Verfahren. Hierbei wird kontinuierlich ein Mikrowellenimpuls von 76 bis 80 GHz ausgesendet. Aus dem Frequenzabstand (Δf) zwischen ausgesendetem Signal und empfangenem Signal wird der Abstand zum Medium berechnet. 

Diagnose integriert

Zusätzlich zu den Überlegungen über die passende Frequenz geht es bei der Auswahl der geeigneten Messtechnik um deren Auswirkungen auf die Anlagenverfügbarkeit, da ungeplante Standzeiten teuer sind und den Betriebsablauf stören. Damit Geräte sich selbst diagnostizieren können sowie über eine Verifikations- und Monitoring-Funktion verfügen, hat Endress+Hauser die ‚Heartbeat Technology‘ entwickelt. 

Die Palette an Füllstandmessgeräten von Endress+Hauser umfasst Varianten der vier Frequenzen 1 GHz, 6 GHz, 26 GHz und 80 GHz.

© Endress + Hauser

Sie ermöglicht es, stets den aktuellen Gerätestatus abrufen zu können sowie Strategien für vorausschauende Wartung zu installieren und ist in viele Füllstandmessgeräte des Anbieters integriert. Beispielsweise sind die Gerätevarianten des geführten Radars ‚Levelflex‘ und des frei abstrahlenden Radars ‚Micropilot‘ mit der Heartbeat Technology ausgestattet. Durch diverse Prüffunktionen steigern sie die Anlagenverfügbarkeit. Eine permanente Prozessdiagnose sowie eingebaute Diagnosefunktionen für das Gerät ermöglichen einen störungsfreien Prozessablauf, indem die Messgeräte standardisierte Diagnosemeldungen und klare Handlungsanweisungen ausgeben können, bevor es zu einem Stillstand kommt. Dabei findet die Verifikation direkt in der Messstelle statt – ohne Ausbau oder Prozessunterbrechung. Ebenfalls Teil der Verifikation ist die Dokumentation, bei der Protokolle automatisch generiert werden. Die generierten Protokolle unterstützen den Nachweis bei Regularien, Gesetzen und Normen. Damit reduziert sich der Prüfaufwand des Anwenders deutlich. Funktionen im Bereich Monitoring ermöglichen es darüber hinaus, Trends aus den Messdaten zu erkennen, und somit einfache, vorausschauende Wartung zu betreiben, Prozesse zu optimieren und Wartungsstrategien zu installieren. 

Kommunikation via Bluetooth

Via Bluetooth und die ‚smartBlue App‘ lässt sich der Signalverlauf des frei abstrahlenden Radars am Tablet verfolgen.

© Endress + Hauser

Ein wichtiges Novum in der Bedienung, Diagnose und Wartung der Füllstandmessgeräte bietet die Kommunikation via Bluetooth. Die verschlüsselte Single-Point-to-Point-Datenübertragung wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für einen hohen Sicherheitsstandard entwickelt. Dieser passwortgeschützte Fernzugriff ermöglicht für geführtes und frei abstrahlendes Radar einfache, zeitsparende Inbetriebnahmen. Mit der Darstellung der aktuellen Signalkurven der entsprechenden Radargeräte über die ‚SmartBlue App‘ von Endress+Hauser lassen sich Diagnosen und Wartungen effizient via Tablet oder Smartphone durchführen.

Autor: 
Carsten Schulz ist Produktmanager Füllstand bei Endress+Hauser in Weil am Rhein.