Umweltschutz und Effizienz

Halb voll oder halb leer ¿ das dürfte so ziemlich die einzige Streitfrage sein, wenn es um das Bestimmen von Füllständen geht. Denn heute lassen sich die Inhalte von Silos, Tanks und anderen Lagerstätten mit Hilfe ausgefeilter Ultraschalltechnik genau, kostengünstig und sicher erfassen. Das gilt auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen.

Ganz neu ist die Ultraschalltechnik im Messwesen nicht. Seit rund 25 Jahren nutzen pfiffige Anlagenbauer die physikalischen Gesetze von Schallausbreitung und Echo, um die Höhenlage von Lagergütern zu bestimmen. Aus den Schalllaufzeiten und den geometrischen Daten der Lagerstätte kann das Volumen des Lagerguts bestimmt werden. Aus diesem einfachen Prinzip wurde eine anspruchsvolle, aber doch einfach handhabbare und robuste Messtechnologie entwickelt. Mittlerweile ist die Technik so ausgefeilt, dass sie problemlos in bestehenden Anlagenüberwachungs- und -steuerungssysteme integrierbar ist. Beliebiger Komfort und fast grenzenlose Auswertemöglichkeiten stehen zur Verfügung.

Wo wird Ultraschall sinnvoll eingesetzt?

Ultraschall ermöglicht eine sichere, berührungslose Messung. Die Einsatzmöglichkeiten sind branchenübergreifend. Sie wird bei Schüttgut, bei Nahrungsmitteln, in der Wasserversorgung und Abwasserentsorgung, im Baustoffhandel und in Chemieanlagen ebenso eingesetzt wie in fast allen anderen Industriezweigen. Die Technologie beruht auf wenigen einfachen physikalischen Grundregeln. Schallgeschwindigkeit und die Reflexionseigenschaften des Messgutes sind die wichtigsten Größen. Einfluß auf das Ergebnis hat die Stärke des Echos aufgrund der natürlichen Dämpfung des Signals. In manchen Silos treten bei der Messung Störechos auf, Signale, die nicht vom eigentlichen Messgut, sondern von Einbauten wie Rührwerk oder Rohren stammen. Sie müssen ausgefiltert werden.

Viele Anwendungen ¿ eine Technologie

Kunststoffgranulate bilden die wichtigste Werkstoffquelle für viele Kunststoffverarbeiter. Größere Mengen lagern die Verarbeiter üblicherweise in Silos außerhalb der Gebäude. Um hier den Füllstand sicher zu messen, sind die Umfeldbedingungen zu berücksichtigen: Während der pneumatischen Befüllung entsteht jedoch viel Lärm. Den müssen die Geräte mit erhöhter Schalleistung kompensieren. Je höher der Füllstand, desto besser das Echo, um so sicherer die Messung. Die Entleerung ist normalerweise geräuscharm und beeinträchtigt so die Messsicherheit nicht. Das Echo wird zwar nach unten hin schächer, aber es entstehen auch keine Störgeräusche. Wegen der Schüttschräge ¿ positiver Kegel beim Füllen ¿ negativer Kegel beim Entleeren, empfiehlt sich eine Schrägmontage des Sensors. Da schräge Montageflansche selten anzutreffen sind, verfügen die Sensoren über einen Taumelflansch. Damit kann man die passende Schräge individuell einstellen. Trotz dieser sehr verbreiteten Aufgabe hat es bisher kein anderes Messverfahren geschafft, an Zuverlässigkeit und Praxistauglichkeit der Ultraschalltechnik heranzukommen.

Werden aggressive Flüssigkeiten wie Säuren oder Laugen oder korrosive Salze bewegt, muss die chemische Beständigkeit auf Dauer garantiert sein. Als Alternative zum Ultraschall sind in solchen Anlagen Sensoren im Tank- oder Siloboden denkbar, die über den beaufschlagten Druck das Berechnen des Inhalts ermöglichen. Gerade bei kritischen Medien sind Druck-Sensoren im Tankboden jedoch häufig unerwünscht, da sie wegen möglicher Leckage eine potentielle Gefahrenquelle sind. Messung und von oben montierte Rohrleitungen bieten hier mehr Sicherheit.

Eine interessante Anwendung der Ultraschalltechnik bietet die Haldenüberwachung. Unabhängig von der Art des eingelagerten Materials wird über mehrere Sensoren das Profil erfasst. Damit lassen sich Beschickung und Entnahme steuern und die Gesamtmenge berechnen. Trotz der Komplexität der Messaufgabe läßt sich das Auswerteprogramm anhand vorgegebener Funktionen in der Steuerung Vegascan 850 sehr schnell programmieren.

Pumpstationen für Schmutzwasser und Abwasserhebewerke sind prädestiniert für den Einsatz einer berührungslosen Messung wie Ultraschall. Alle Messsysteme, die in die Schmutzbrühe eingetaucht werden, zum Beispiel bei der Druckmessung oder Einsatz eines Schwimmers, benötigen regelmäßige Wartung und Reinigung. Ultraschall arbeitet verschmutzungs- also wartungsfrei. Die oft geforderte Pumpenumschaltfunktion ist selbstverständlich mit eingebaut.

Mit den Problemen der Praxis richtig umgehen

Selbstverständlich müssen Messsysteme die funktionalen Aufgaben erfüllen. Daneben soll der Einsatz aber auch wirtschaftlich sein. Und dazu gehört die möglichst einfache Bedienung, und die Beschränkung auf wenige Gerätevarianten. Für Anlagenplaner wie Anlagenbauer ist es eine große Erleichterung, kleine, mittlere und große Messstellen mit einem System realisieren zu können. Die Geräte der Serie 50 unterscheiden sich zwar im Messbereich (der Schall-Leistung), sind in Handhabung und Anschlusstechnik jedoch gleich. Planung und Bedienung, Steuer- und Verteilerschränke, analoge oder Bus-Verbindung ¿ alles bleibt beim Standard ¿ und es wird jeder Messbereich möglich.

Den unterschiedlichen Randbedingungen in der Praxis trägt die Konstruktion der Sensoren Rechnung. Hohe Ultraschall-Frequenzen bieten eine hohe Auflösung des Messsignals (und damit des Messwerts). Sie werden aber durch Staub oder Dampf besonders stark gedämpft. Tiefe Frequenzen haben eine geringere Auflösung, durchdringen aber Luftverschmutzungen mit deutlich weniger Verlust. Die Auflösung des Messsignals ist bei Schüttgut mit starker Kegel- oder Trichterbildung unkritisch, da ein Mittelwert aus der gesamten Schräge gebildet wird. Zur Unterdrückung von Störechos haben die Sensoren eine wirksame Software.

Bedienungs- und Parametrieraufwand müssen auf ein Minimum gebracht werden. Für den Betrieb der Sensoren muss lediglich die Distanz zum 0- und 100-Prozent-Punkt eingegeben werden. Dazu genügt das kleine, in jeden Sensor steckbare Bedienmodul Minicom, das, nach dem Programmieren abgezogen, keine Möglichkeit zur unautorisierten Manipulation lässt.

Mit vordefinierten Funktionen zur schnellen Erstellung des kompletten Mess- und Überwachungsprogramms ebenso wie für gelegentliche tiefergehende Parametrierung oder Fernparametrierung steht das einfach zu bedienendes Programm VVO (Vega Visual Operating) zur Verfügung. Das System erstellt automatisch eine Kalibrierungs-Dokumentation. Beide Systeme sind mehrsprachig.

Integrationsfähigkeit ¿ ein Muss

Der Anwender hat die Freiheit, aus vier Anschlussarten zu wählen: 4 bis 20 Milliampere in 2- oder 4-Drahttechnik, Vbus und Profibus-PA sind Standard. Mit Bus-Kopplern können alle gängigen Systeme wie Profibus DP/FMS, Modbus oder Interbus aufgeschaltet werden.

Anschluss an die Prozessverarbeitung erhalten die Sensoren bei grösseren Installationen praktischerweise mit dem Ultraschallscanner Vegascan 850, ein ¿Datensammler, Vorverarbeiter, Bus-Koppler¿ in einem Gehäuse. Mittel- und Summenbildung, Differenzmessung und andere sind integriert. Die Linearisierung per Eingabe der Tankform ist in Minutenschnelle erledigt und gehört ebenfalls zum Standard. Das Gerät dient zusätzlich noch als ¿Bus-Bahnhof¿. Die Adaption an den gewünschten Bus übernimmt jeweils eine Steckkarte. Die Signalübertragung ist wahlweise über Kupferdraht oder Glasfaser möglich.

Die Flexibilität der Technik scheint ihre größte Stärke zu sein. Permanent kommen neue, manchmal verblüffende Anwendungen hinzu. Das Potenzial ist noch längst nicht ausgeschöpft.

Meinolf Droege / Februar 2000