Radarsensoren mit 80 GHz Sendefrequenz entwickeln sich immer mehr zum Standard in der Messtechnik. Dabei zeichnen sich die Sensoren nicht nur dadurch aus, dass bestehende Messaufgaben einfacher gelöst werden können. In vielen Anwendungen bietet die höhere Messfrequenz völlig neue Möglichkeiten für eine berührungslose Füllstandmessung.

Das auf QVF-Glasanlagen spezialisierte Unternehmen De Dietrich Process Systems nutzt die neue hochfrequente Radarmesstechnik, um ihren Anwendern eine deutlich bessere Überwachung der Prozesse zu ermöglichen. Bei der Füllstandmessung in Glasgefäßen mit 80 GHz kommen, neben vielen anderen Vorteilen der neuen Radarsensoren, vor allem zwei Aspekte zum Tragen: kleine Prozessanschlüsse und die Möglichkeit, durch nichtleitende Werkstoffe hindurchzumessen.

Im Glasapparatebau sind die Behälter häufig deutlich kleiner als bei anderen Chemieanlagen. Nicht selten werden neue Verfahren im kleineren Maßstab getestet und anschließend großtechnisch umgesetzt. Eine genaue und zuverlässige Prozessüberwachung ist hier wie dort notwendig. Aber genau dabei stoßen viele bisherige Messsysteme an ihre Grenzen. Zum einen ist eine hohe chemische Beständigkeit gefordert, die möglichst der von Borosilikatglas 3.3 oder PTFE entsprechen sollte. Zum anderen sind die Prozessanschlüsse im Allgemeinen meist kleiner als DN 100. Beiden Anforderungen entsprechen die Radarsensoren Vegapuls 64.

Kleine Prozessanschlüsse dank höherer Sendefrequenz

Die Signalfokussierung von Radarsensoren wird im Wesentlichen durch die Sendefrequenz und den Antennendurchmesser bestimmt. In der Praxis bedeutet das, dass bei einer um den Faktor 3 höheren Sendefrequenz die Radarsignale um denselben Faktor genauer fokussiert sind. Einflüsse durch Behältereinbauten wie Rührwerke und Heizelemente oder die Montage dicht an der Behälterwand wirken sich sehr viel weniger auf das Messergebnis aus. Deutlich kleinere Prozessanschlüsse sind möglich; trotzdem wird eine sehr gute Signalfokussierung erzielt. Um eine Fokussierung von ca. 8° zu erreichen, ist bei einem Radarsensor mit 26 GHz-Sendefrequenz ein Prozessanschluss von DN 100 notwendig, bei den 80 GHz-Sensoren Vegapuls 64 genügt hierfür bereits ein Gewindeanschluss von 1½″. Selbst beim kleinsten ¾″-Anschluss wird noch ein Öffnungswinkel von 15° erreicht. Damit eignen sich die Radarsensoren besonders für den Einsatz in kleinen Behältern mit ebenso kleinen Prozessanschlüssen, wie sie in Glasapparaten vorkommen.

PTFE als hochbeständige Prozessabtrennung

Anschlüsse an Glasflansche erfolgen mit Dichtungen aus PTFE und Losflanschringen aus Edelstahl oder Kunststoff. Da Radarsignale Kunststoffe wie PTFE nahezu ohne eine zusätzliche Dämpfung durchstrahlen können, entwickelte VEGA mit De Dietrich Process Systems einen Adapter, der ganz einfach auf den bereits bestehenden Prozessanschluss eines QVF-Glasgefäßes montiert werden kann. Um die Abmessungen auch hinsichtlich der Radartechnik und deren Signalreflexionen optimal zu gestalten, wurde die Form des Adapters von VEGA über eine Software simuliert und optimiert. Das Ergebnis ist ein Radarsensor mit einem Prozessanschluss aus hochbeständigem PTFE, der direkt an den Glasflansch eines Glasapparats montiert werden kann. Dieser liefert medienunabhängig einen millimetergenauen Messwert und lässt sich von den unterschiedlichsten Prozessbedingungen nicht beeindrucken.

(K)ein Blick in die Glaskugel

Vor allem bei bereits bestehenden Anlagen sind die Anschlüsse oft alle belegt und es ist nachträglich nicht mehr möglich, einen Prozessanschluss für die Montage eines Radarsensors freizubekommen. Hier bieten die Sensoren Möglichkeiten, den Füllstand im Behälter trotzdem genau zu erfassen.

Da Radarsignale, wie auch Licht, die Wand eines Glasbehälters durchdringen, kann der Sensor direkt über dem Behälter montiert werden. Der Füllstand wird durch das Glas hindurch erfasst. Besonders interessant ist diese Möglichkeit bei bewegten Glasbehältern, wie zum Beispiel Rotationsverdampfern. Das Volumen wässriger Lösungen in dem sich drehenden Glasbehälter lässt sich einfach durch das Glas hindurch erfassen. Dabei spielen eine Benetzung der Glasfläche durch das Wärmebad an der Außenseite oder Kondensat an der Innenseite kaum eine Rolle. Der Füllstand wird unter allen Bedingungen zuverlässig erfasst.

Die Vorteile der Radarmesstechnik mit 80 GHz: Die kleinen Sensoren benötigen deutlich weniger Platz als Geräte in 26 GHz-Ausführung. Dank der sehr guten Signalfokussierung entstehen weniger Störungen durch Einbauten oder Verbindungen der Glasapparate. Um Reflexionen der Radarsignale an der Glasoberfläche zu reduzieren, kann der Sensor einfach über einer leicht schrägen Stelle des Glasbehälters angeordnet werden. Damit werden die Reflexionen an der Glasoberfläche zur Seite abgelenkt und gelangen nicht als Störreflexion zurück zum Sensor. Eine zusätzliche Dämpfung der Radarsignale beim Durchstrahlen der Glasfläche hat keinen Einfluss auf die Messung. Der Vegapuls 64 bietet mit einem Dynamikbereich von 120 dB genügend Leistungsreserve.

In der Praxis bewährt

Viele Anwender haben inzwischen die Vorteile der neuen Radartechnologie mit 80 GHz erkannt und die Sensoren im praktischen Einsatz. So äußert sich Claudius Hansel, Mess- & Regeltechniker QVF bei De Dietrich Process Systems: „Als VEGA die 80 GHz-Radarsensoren auf den Markt brachte, waren wir sehr gespannt, ob sie sich auch für unsere QVF-Glasapparate eignen würden. Der Werkstoff hat – im Vergleich zu den üblichen Materialien von Lagertanks – ganz andere Eigenschaften. Wir haben daher bei der Findung der optimalen Anpassung an unsere Glasapparate sehr effizient und zielführend mit VEGA zusammengearbeitet. So gelang der Anschluss der VEGA-Sensoren an Glasflansche der QVF-SUPRA-Line einfach und zuverlässig. Die gefundenen Lösungen sind auch vielversprechend für die Verwendung weiterer Sensoren zur Druckmessung und Grenzstanderfassung. So passen die Druckmessumformer mit keramischer Messzelle und PVDF-Anschluss ebenfalls zu unseren korrosionsbeständigen Glasanlagen. Auch die Vibrationsgrenzschalter mit ECTFE- oder PFA-beschichtetem Prozessanschluss eignen sich hervorragend für die korrosionsbeständigen QVF-Glasbehälter. Mittlerweile verwenden wir die Geräte für die Messung von Grenzstand, Füllstand und Druck in unseren QVF-Glasanlagen.“

Zur Firma:

VEGA Grieshaber beschäftigt über 1.200 Mitarbeiter weltweit, 600 davon am Hauptsitz in Schiltach im Schwarzwald. Hier entstehen seit über 50 Jahren Lösungen für anspruchsvolle Messaufgaben in chemischen und pharmazeutischen Anlagen, in der Lebensmittelindustrie sowie in der Trinkwasserversorgung, in Kläranlagen und auf Deponien, im Bergbau und bei der Energieerzeugung, auf Bohrinseln, Schiffen und in Flugzeugen. Mit seinen Sensoren für die Messung von Füllständen, Grenzständen und Druck sowie Lösungen zur Einbindung der Geräte in Prozessleitsysteme genießt das Unternehmen weltweit einen ausgezeichneten Ruf, der auf langjähriger Erfahrung, Selbstmotivation und hohe Kompetenz qualifizierter Ideengeber beruht.