Berührungslose Radar-Füllstandmessung mit NivoRadar® NR 3000
Ein führender Anbieter von Baustoffen in Südafrika suchte nach einer zuverlässigen Lösung zur kontinuierlichen Füllstandmessung für seinen Prozesstrichter
Die Anwendung drehte sich um einen Zugkipper, der den Inhalt des Zugwagens mit Kohle in den darunter liegenden Bunker kippt, der dann zur Baustelle befördert wird. Die Messeinheiten müssen die hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllen und in der anspruchsvollen Umgebung zurechtkommen.
Der Bergbausektor in Südafrika war einst die wichtigste treibende Kraft hinter der Geschichte und Entwicklung von Afrikas fortschrittlichster und reichster Wirtschaft. Südafrikanische Bergbauunternehmen sind wichtige Akteure in der globalen Industrie und das Land ist der drittgrößte Kohleexporteur der Welt.
Der Anlagenbetreiber produziert seit 1892 Zement, Zuschlagstoffe, Kalk, Fertigmischungen und Flugasche und ist heute mit 11 Fabriken in Südafrika, Botswana, DRC, Äthiopien, Ruanda und Simbabwe tätig. Im Hinblick auf die Modernisierung der Anlagen in der Nähe von Kapstadt war er auf der Suche nach einer innovativen kontinuierlichen Füllstandsmessanlage.
Aufgrund der Art der Anwendung war das in der Zementherstellung sehr beliebte elektromechanische Lot-System hier nicht die optimale Lösung. Aufgrund des schnell laufenden Prozessablaufs und der staubintensiven Atmosphäre konfigurierten die UWT-Ingenieure zusammen mit dem lokalen Partner Morton Controls CC eine radargestützte Freiflächenmessung. Installiert wurde das NivoRadar® NR 3000 mit einem Staubrohr mit Luftspülung, um den Staub von der Linse fernzuhalten. Das Radar wurde an einem Balken installiert, der über dem Hauptteil der Kohle hing. Die Messdistanz beträgt etwa 45 Meter, es herrschen Temperaturen von bis zu 80°C (176°F) und ein Prozessdruck von bis zu 0,8bar (11,6psi). Die Materialdichte beträgt ca. 800g/l und der DK-Wert liegt zwischen 2,0 - 3,0 mit einer körnigen Materialcharakteristik. Es gibt einige Vibrationen innerhalb der Anwendung, geringe Feuchtigkeit, keine elektrostatische Aufladung aber eine sehr staubige Atmosphäre. Nach 2 Wochen erfolgreicher Tests wurde die Wahl der richtigen Sensorlösung bestätigt und mehrere Geräte wurden in die Anlagenapplikation implementiert. Die staubige Umgebung wurde erfolgreich durch das Staubrohr und die Luftleitung überwunden, die zur Spülung der Linse angeschlossen wurden. Genaue und wiederholbare zuverlässige Messwerte bedeuteten eine erfolgreiche Lösung für diese schwierige Anwendung.
Das NivoRadar® NR 3000 ist für explosionsgefährdete Bereiche (Zone 20/21) zertifiziert. Die robuste Edelstahlkonstruktion macht die kontinuierliche Füllstandmessung für diese Art von Anwendung äußerst geeignet. Das Gerät arbeitet mit einer hohen Frequenz von 78 GHz. Dadurch ergibt sich ein sehr kleiner Abstrahlwinkel von 4°, der keine Signalstörungen am Flansch zulässt, aber eine optimale Reflexion des Schüttguts ermöglicht. Es können Entfernungen bis zu 100 m gemessen werden und der Sensor kann aufgrund des hohen Empfindlichkeitsbereichs sowohl in sehr feinen als auch in grobkörnigen Schüttgütern eingesetzt werden. Das NivoRadar® ist in einer Flachflansch- und einer Zielflanschversion erhältlich. Mit dem verstellbaren Zielflansch konnte das Radar perfekt ausgerichtet werden, da die Sonde auf den gewünschten Punkt fixiert werden konnte und der Winkel des Strahls auf den gewünschten Punkt eingestellt werden konnte. So konnte der installierte Radarsensor exakt über dem Trippler-Trichter platziert und für eine kontinuierliche Füllstandserfassung des Materials ohne Verzögerung und Störecho auch bei beengten Platzverhältnissen eingestellt werden. Durch die berührungslose Technik hatten seitliche Konen keinen Einfluss auf die Messergebnisse. Die Linsenantenne ist sehr widerstandsfähig gegen Materialablagerungen und bietet eine Selbstreinigungsfunktion für die klebrigen Feststoffe über einen Luftspülanschluss. Selbst bei Anwendungen, bei denen Kondensation auftritt, bietet der Spülanschluss eine funktionssichere Messung.
Das Gerät arbeitet in Zweileitertechnik und ist über ein lokales Programmiergerät mit Schnellstart-Assistent und ein steckbares Display, das die Programmierung und Diagnose vor Ort ermöglicht, einfach zu bedienen. Der ungeschirmte Radarsensor ist vollständig staubdicht ausgeführt und liefert zuverlässige Messergebnisse bei hohen Prozesstemperaturen bis zu 200°C (392 °F).
Effizienteres Silo-Management durch Visualisierung des Füllstands
Die nächste Überlegung des Anlagenbetreibers war an dieser Stelle, den Radarsensor zu einem Gesamtsystem zur Füllstandsüberwachung zu verbinden, um eine bessere Transparenz hinsichtlich des Silomanagements zu erreichen. Die Geräte des Messsystems kommunizieren direkt mit SPS-Steuerungen über ein analoges 4...20ma-Signal oder auch über ein digitales MODBUS RTU- oder Profibus-Protokoll. Die Füllstandsignale der installierten Radarsensoren auf jedem Silo konnten durch die Visualisierungssoftware NivoTec® in Kombination mit einem Wago WebController gebündelt werden. Die Anlage könnte diese Informationen (passwortgeschützt), zu jeder Tageszeit über einen beliebigen Internet-Browser über eine vordefinierte IP-Adresse mit der Visualisierungssoftware sicher abrufen. Es ist möglich, beliebig viele weitere Messstellen in das Visualisierungssystem einzubinden - ohne zusätzliche Hardwarekosten. Durch diese Füllstandsüberwachung und Visualisierung erhielt die Anlage ein komplettes System zur Füllstands- und Trendanzeige, Datenspeicherung und Füllstandsferninformation.
Fazit: Messtechnik ist nur ein kleines Rad, bietet aber große Unterstützung
Die Füllstandmesstechnik ist vielfältig und steht selten still. Spannende und herausfordernde Entwicklungen in den verschiedenen Anwendungen führen dazu, dass die Produktpalette ständig wachsen und sich weiterentwickeln muss, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Für kontinuierliche und punktuelle Füllstandmesstechnik benötigen Anlagenbetreiber oft individuell zugeschnittene Lösungen für ihre Materialherstellungsprozesse. Jeder Prozess hat eine spezifische Anforderung bzw. einen spezifischen Bedarf an den Sensor.
Bei dem zementproduzierenden Unternehmen in Südafrika war die maßgeschneiderte Füllstandmessung ein entscheidender Baustein, um den reibungslosen Prozessablauf zu unterstützen - Vermeidung von Überfüllsicherungen, schnelles Reagieren bei der Siloentleerung, Transparenz und Kontrolle über den Füllstand in den Behältern zu jeder Zeit.
Mit anwendungsorientiertem Produktdesign des installierten Radarsensors und Paddelschalters - unterstützt durch die Füllstandsvisualisierung - war eine hohe Kompatibilität zu den Silos und Behältern gegeben, so dass sie sich nahtlos in die Anlagen einfügen und ein optimales Silomanagement gewährleisten.
Historischer Exkurs
Wir lieben ein bisschen Geschichte, und der Kohlebergbau hat eine interessante Geschichte zu erzählen. Als eine der größten Bergbauindustrien begann der Abbau von Kohle im 18. Jahrhundert und boomte bis in die 1950er Jahre. Obwohl er vielleicht nicht so riesig ist wie einige andere abgebaute Rohstoffe, ist Kohle im Tagebau immer noch eine wertvolle Form der Energiegewinnung.
Interessanterweise war der Vortrieb in die Erde, um die Kohle zu fördern, die ursprüngliche Methode, die jedoch aufgrund der gefährlichen Dämpfe (Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff), die freigesetzt wurden, gelinde gesagt tödlich waren, eingestellt werden musste. Die jetzt im Kohleabbau eingesetzten Sensoren haben bei der Erkennung dieser schädlichen Dämpfe geholfen und die Kanarienvogel-Methode des Bergbaus weiterentwickelt.
Was ist der Bergmannskanarienvogel?
Wenn Sie sich mit dem Bergbau auskennen, haben Sie sicher schon von dieser erstaunlichen Geschichte gehört. Ganz einfach, Bergleute nahmen einen Kanarienvogel in einem Käfig mit nach unten, wenn sie abtauchten. Kanarienvögel waren bekannt dafür, dass sie sehr empfindlich auf geruchlose Dämpfe wie Kohlenmonoxid reagierten, und sie zeigten Anzeichen von Verzweiflung, indem sie von einer Seite zur anderen schaukelten, bevor sie von ihrer Sitzstange fielen.
Obwohl dies kein sehr tierfreundliches Verfahren war, rettete es bekanntermaßen viele Menschenleben. Nach einiger Zeit wurde die Kanarienvogel-Methode zur Detektion eingestellt, da sie sich als nicht so effektiv erwies, wie man annahm.
Der Pellistor wurde als katalytischer Sensor eingeführt und war in der Lage, ein sehr breites Spektrum an giftigen Dämpfen und brennbaren Gasen zu erkennen. Aufgrund von Einschränkungen, wie z. B. Fehlfunktionen bei Chemikalien mit Chlor, Schwefel, Halogen und jeglichen silizium- oder bleihaltigen Metallen, sowie hohen Kosten für die Wartung des Pellistors, wurde diese Methode wieder zurückgezogen. Die modernere und effektivere Methode ist der Infrarot-LED-basierte Gassensor.
