Das geführte Radar

 Die Zukunft der berührenden Füllstandmessung in der Fabrikautomation

 

Die Technologiebasis der Fluidsensorik muß sich laut Sick in den nächsten Jahren deutlich ändern. So werden beispielsweise elektromechanische und einfache elektromagnetische Sensoren durch modernere Technologien abgelöst. Insbesondere in der Füllstandmessung kommt hier laufzeitbasierten Technologien eine Schlüsselrolle zu, da das Messergebnis kaum von der zu messenden Flüssigkeit beeinflusst werden kann. Hierzu zählen sowohl berührungslose Verfahren wie die Radar- und die Ultraschallmessung, als auch medienberührende Technologien wie das geführte Radar.   (teilnehmen am Sick Gewinnspiel)

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Die Bedeutung der Sensorik in Flüssigkeitsprozessen der industriellen Fertigung nimmt aus verschiedenen Gründen zu. Zum einen benötigen moderne Branchen wie beispielsweise die Elektronik- und Solarindustrie aufgrund ihrer verfahrenschemischen Ausrichtung tendenziell erheblich mehr Nassprozesse als die traditionellen metallverarbeitenden Industrien, bei denen Fluidsensorik sich im wesentlichen auf Hydraulik sowie Kühl-, Schmier- und Reinigungsvorgänge bezieht. Zum anderen trifft die Tendenz zur Reduktion von Wartungs- und Inbetriebnahmepersonal ebenso wie Konzepte zur flexiblen Fertigung, bei der Umrüstzeiten und Parameterwechsel möglichst ohne Produktivitätsverlust ablaufen sollen, inzwischen vor allem auch die Fluidprozesse und damit insbesondere die dort verwendete Sensorik. Nicht zuletzt bietet der sparsamere Einsatz von Betriebsflüssigkeiten noch ein großes Potenzial zur Reduktion von Materialeinsatz und zur Einsparung von Sondermüll.

Vor diesem Hintergrund muss sich die in der Fluidsensorik verwendete Technologiebasis in den nächsten Jahren deutlich verändern. Traditionelle Messprinzipien – beispielsweise elektromechanische und einfache elektromagnetische Sensoren – werden durch modernere Technologien abgelöst werden, die unabhängig vom Medium mit gleicher Genauigkeit funktionieren und die erheblich robuster und störungsunempfindlicher auf veränderte Messparameter reagieren.

 

Unbeieinflusst

In der Füllstandmessung kommt hier insbesondere laufzeitbasierten Technologien eine Schlüsselrolle zu, da deren Messergebnis kaum von der zu messenden Flüssigkeit beeinflusst werden kann. Hierzu zählen sowohl berührungslose Verfahren wie die Radar- und die Ultraschallmessung, als auch medienberührende Technologien wie das geführte Radar. Aufgrund ihrer Preispositionierung, vor allem aber auch aufgrund ihrer Robustheit gegen Umgebungseinflüsse wie Schäume und Stäube kommt dabei vor allem der Technologie des geführten Radars (Time Domain Reflectometry) eine besondere Bedeutung zu. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Technologie nicht mit dem Medium abgeglichen werden muss, sondern im trockenen Zustand parametriert werden kann. Auch eine spätere Rekalibrierung bei veränderten Medien oder einer Veränderung der Tankgeometrie ist nicht notwendig. Die hohe Toleranz gegenüber Schäumen und anderen Oberflächeneinflüssen ist im Vergleich zu anderen Technologien wie Ultraschall oder kapazitiven Verfahren ein weiterer Pluspunkt.

 

Reflexion

Beim Prinzip des geführten Radars – oft auch als geführte Mikrowelle bezeichnet – handelt es sich um ein Laufzeitverfahren, bei dem ein Mikrowellenimpuls in eine metallische Sonde eingekoppelt wird und an dieser entlang verläuft. Trifft der Puls wie an der Mediumsoberfläche im Tank auf eine Veränderung der Dielektrizitätskonstante, wird ein Teil der Energie reflektiert und vom Sensor mit einer Zeitverzögerung wieder empfangen. Anhand der Laufzeit dieses Signals kann nun die Entfernung der Reflexionsstelle und damit das Niveau der im Tank vorhanden Flüssigkeit oder des vorhandenen Schüttguts ermittelt werden. Durch die Auswertung der Laufzeit arbeitet das Verfahren unbeeinflusst von den Medieneigenschaften und damit abgleichfrei. Die einzige Mediumseigenschaft die die Qualität – nicht die Anwendbarkeit des Messprinzips – beeinflusst, ist die Dielektrizitätskonstante ε_r (Permittivität) des Mediums, die die Stärke des Reflexionssignals an der Grenzfläche beeinflusst. Das Messverfahren lässt sich sowohl in kleinen Tanks, als auch in großen Tanks einsetzen, jeweils mit unterschiedlichen Herausforderungen für die eingesetzte Auswertelektronik.

 

Anwendung

Zwar ist der Vorteil der berührungslosen Verfahren gerade, dass sie keinen direkten Medienkontakt und damit zumindest in der Theorie eine geringere Anfälligkeit gegenüber chemischen Beständigkeitsproblemen haben, gleichzeitig sind sie allerdings in ihrer Montagemöglichkeit begrenzt und störanfällig gegenüber Einbauten und Umgebungseinflüssen in der Gasphase oberhalb der Flüssigkeit. Hinzu kommt, dass im Bereich der berührenden Laufzeitmessung unterschiedliche Sondenbauformen das Anwendungsspektrum erheblich erweitern und die Qualität des Messsignals erheblich verbessern können. So kann eine koaxiale Bauform mit einem Innenleiter, der das Signal führt und einem Außenleiter der das Signal vor Störeinflüssen schützt, hochgenaue Messergebnisse bei schwierigen bzw. sich bewegenden Tankeinbauten liefern. Eine einfache Monosonde – beispielsweise ein Edelstahl-Stab mit einem Durchmesser von 7 mm – hat dagegen den Vorteil unempflindlich gegenüber Belagsbildung oder Verblockung in schmutzigen Medien zu sein und ist darüber hinaus in Hygieneprozessen einfach abreinigbar. Diese Reinigbarkeit ist auch ein großer Vorteil gegenüber elektromechanischen Schwimmersystemen, bei denen der Schwimmer stets die Reinigbarkeit einschränkt und zwangsläufig Platz für prozessgefährdende Schmutznester und bakterielle Kontamination verbleibt. Durch eine auch mehrfach gebogene Sondenführung können in der Stab-Bauform zudem auch unzugängliche Montageorte und komplexe Konstruktionsprobleme gelöst werden. Beschichtungen ermöglichen die Verwendung in chemisch aggressiven Umgebungen. Eine Seilsonde wiederum empfiehlt sich, wenn – wie beispielsweise in manchen Schüttgutprozessen – eine Beweglichkeit der Sonde aufgrund mechanischer Belastungen erforderlich ist, oder wenn es gilt, lange Distanzen zu überbrücken und dabei Transport und Montage von überlangen Lanzen unhandlich wäre.

 

Präzision

Während in den großen Tanks der Prozessautomation das geführte Radar bereits seit mehreren Jahren eine etablierte Technik ist, war der Einsatz in kleineren Puffer-, Vorrats und Abfalltanks der Fabrikautomation aufgrund mangelnder Genauigkeit und der großen inaktiven Bereiche bisher nur sehr eingeschränkt möglich. Auf kleine Tanks optimierte Bauformen und Auswerteeinheiten erschließen nun dieses neue Feld.

Beispielhaft hierfür ist die Produktfamilie »LFP« von Sick. Der LFP besitzt extrem kleine Totzonen – am Sondenanfang lediglich 25 mm und am Sondenende nur 10 mm – und verfügt mit einer standardmäßigen Genauigkeit von ±5 mm über die notwendige Genauigkeit auch für kleine Behälter. Auch die maximale Änderungsgeschwindigkeit von 500 mm pro Sekunde ist optimiert für schnelle Befüll- und Entleervorgänge.

Der LFP wird in verschiedenen optimierten und kompakten Bauformen hergestellt. So verfügt der »LFP inox« über ein Edelstahlgehäuse in Schutzart IP69K, das auf die Anforderungen der Nahrungsmittel- und Verpackungsindustrie abgestimmt ist. Die medienberührende schmale Monosonde ist in poliertem Edelstahl 1.4404 ausgeführt. Der Sensor ist durch die Temperaturbeständigkeit bis 150 °C und die Druckfestigkeit bis 16 bar geeignet für branchenübliche automatische Reinigungs- und Sterilisiervorgänge (CIP/SIP). Der »LFP cubic« verfügt dagegen über ein Kunststoffgehäuse in Schutzart IP67 und ist mit einer Höchsttemperatur von 100 °C und einer Druckbeständigkeit von 10 bar auf Anforderungen im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau sowie für übliche Behältermessungen in nichthygienischen Bereichen ausgelegt.

 

Modular

Der in der Fabrikautomation geforderten hohen Flexibilität in der Montage wird durch ein intelligentes Sondenkonzept Rechnung getragen. So ist die Sonde beim LFP cubic abschraubbar und vom Anwender selbständig tausch- und kürzbar. Die hygienische Sonde des LFP inox ist ebenfalls vor Ort kürzbar, auch wenn sie aufgrund der im Nahrungsmittelbereich geforderten Spaltfreiheit nicht schraubbar ausgeführt werden kann. Hinzu kommt ein Adapterkonzept für verschiedene Prozessanschlüsse, so dass das Grundgerät auch nachträglich auf eine Vielzahl von marktüblichen Prozessanschlüssen wie Tri-Clamp oder DIN11851 adaptierbar ist.

Beiden Geräten gemeinsam ist das auf die Fabrikautomation ausgelegte Anschluss- und Kommunikationskonzept. Im Gegensatz zur traditionellen Trennung in reine Grenzwertschalter und analoge Geräte, wie sie vornehmlich in der Prozessautomation verwendet werden, bietet die LFP-Familie standardmäßig zwei digitale Ausgänge und einen Analogausgang. Letzterer kann individuell als Spannungs- oder Stromausgang parametriert werden. Zusätzlich verfügt die LFP-Familie über IO-Link und kann damit über einen digitalen Ausgang fernparametriert werden und analoge Messdaten übertragen. Durch diese Vielzahl an Ausgängen lassen sich komplexe Messaufgaben mit nur einem einzigen Sensor am Behälter effizient und robust lösen. So kann das Analogsignal beispielsweise zur kontinuierlichen Messung des Tankinhalts verwendet werden, während die beiden Schalter als zusätzliche Überfüllsicherung und Leerlaufschutz verwendet werden. Die Fähigkeit, das Analogsignal beliebig auf der Messdistanz zu spannen und auch zu invertieren, erlaubt in kleineren Behältern die optimale Bedarfsfüllung und eröffnet neue Möglichkeiten zur Performanceverbesserung in komplexen Regelkreisen.

 

Mit diesen Features hat die Technologie des geführten Radars den Sprung in die Anforderungswelten der Fabrikautomation geschafft. Damit steht Anwendern in der Werkzeugmaschinen-, Nahrungsmittel- und Verpackungsindustrie, ebenso wie Hydraulikern und Anwendern von Reinigungsanlagen eine neue, kostengünstige und gleichzeitig robuste Lösungswelt offen, deren Vorteile sich vor allem in erhöhter Flexibilität und geringeren Wartungs- und Instandhaltungskosten niederschlagen.

 

 

Ihr Ansprechpartner für mehr Informationen:

Dipl.-Ing. (FH) Christoph Ungersböck

Produktmanager Automatisierungstechnik

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