Fachartikel Papiertechnik

Neue Dimensionen in der Füllstandmessung

Radarsensoren zur Füllstandmessung setzen sich in der Papier- und Zellstoffindustrie wie in vielen anderen Industriezweigen zunehmend durch. Die Vorteile sind: berührungslose Messung, Wartungsfreiheit und Einbaumöglichkeit auch bei befülltem Behälter. Neueste Radarsensoren in 80-GHz-Technik verbessern bisherige Anwendungen und ermöglichen sogar neue messtechnische Lösungen, die bisher so nicht realisierbar waren. Im Folgenden werden interessante Einsatzbeispiele für diese neue Generation von Sensoren aufgezeigt.

Dipl.-Ing. Christian Langensiepen

Branchenmanagement Papierindustrie

VEGA Grieshaber KG, Schiltach

In der Papier- und Zellstoffindustrie wurden bisher zur Füllstandmessung in Pulpern, Bütten und Stapeltürmen oft hydrostatische Druckmessumformer mit seitlichem Anbau eingesetzt. Die Gründe dafür sind: hohe Messgenauigkeit, einfache Kalibrierung, keine Beeinflussung der Messung durch Rührwerke oder Einbauten im Behälter. Nachteilig sind jedoch der Wartungsaufwand bei Ablagerungen an den Membranen, die Lagerhaltung von Ersatzgeräten mit passenden Messbereichen und der aufwändige Ausbau bei befüllten Behältern. Gerade dort, wo die bisherigen Messverfahren die Anforderungen der Anwender nicht immer erfüllen können, sind die Radarsensoren VEGAPULS 64 und VEGAPULS 69 in 80-GHz-Technik die optimale Lösung. Möglich wurde diese hohe Frequenz durch neue elektronische Bauteile, die bisher am Markt nicht verfügbar waren. Sie machten zudem den Weg frei für neue, flache Antennenbauformen und -werkstoffe. So ist das Antennensystem des VEGAPULS 64 PTFE-gekapselt, deshalb entstehen keine Hohlräume, in denen sich Medien ablagern könnten. Die Oberfläche der Kapselung wird zudem mit Diamantwerkzeugen sehr fein bearbeitet, so dass auch hier Medien deutlich weniger anhaften können. Die Antenne ist beim VEGAPULS 69 als flache Scheibe aus PEEK-Kunststoff ausgeführt. Ein Antennenkonus – wie bei Radarsensoren mit niedrigen Sendefrequenzen üblich – ist hier nicht erforderlich. Ablagerungen durch Staub und Beeinträchtigungen der Messung sind damit so gut wie ausgeschlossen.

Pulper
Mit den bisher am Markt verfügbaren Radarsensoren mit 6- oder 26-GHz-Technik war es nicht möglich, den Füllstand im Pulper zu messen. Das lag an den schwierigen Messbedingungen wie Trombenbildung mit turbulenter Oberfläche, erheblicher Schmutzbelastung sowie Anhaftungen an der Antenne der Sensoren, aber auch an störenden Einbauten im Pulper. Die 80-GHz-Technik stellt sich diesen Herausforderungen durch Fokussierung und selektive Empfindlichkeit im Nahbereich. So misst der VEGAPULS 64 durch einen Stutzen im Pulperdeckel oder frei über dem offenen Pulper montiert den Füllstand und stellt so die richtige Stoffdichte an der Pulperentleerung sicher. Die Entscheidung für 80-GHz-Radar bedeutet eine Vereinfachung in der Behälterkonstruktion: Der geneigte Stutzen sowie Rohrleitungen für die Wasserspülung bei einem Druckmessumformer entfallen. Der Radarsensor hingegen ist durch seinen Einbau von oben auch bei befülltem Pulper immer leicht zugänglich. Durch die einfache Montage ist auch ein Nachrüsten oder Umbau vorhandener Anlagen möglich.

Stärkeaufbereitung
Stärke – ein wichtiger Zusatzstoff für die Papierherstellung – wird in bis zu
20 m hohen, schlanken Silos gelagert. Aufgrund der ungünstigen Reflexionseigenschaften der Stärke war die Füllstandmessung immer eine Herausforderung. Mit Etablierung der 80-GHz-Technik stehen nun Schüttgutradarsensoren VEGAPULS 69 zur Verfügung. (Abb. 2)

Durch ihre hohe Messfrequenz messen sie fokussiert und unbeeinflusst durch Staubentwicklung auch bei der Befüllung. Unterhalb der Silos sind Stationen angeordnet, in denen die pulverförmige Stärke bedarfsorientiert mit Wasser zu Slurry gemischt wird. Bisher wurde der Füllstand in den kleinen Rührwerksbehältern durch Sensoren mit geführtem Radar gemessen – mit Berührung. Auch hier dürften zukünftig verstärkt 80-GHz-Radarsensoren VEGAPULS 64 Einzug halten.

Sammelbehälter für Gaskondensat
Das bei der Zellstoffkochung anfallende Gas wird der Eindampfanlage in der Laugenrückgewinnung zugeführt. Zuvor wird es in Gaskondensatbehältern gesammelt und verflüssigt. In diesen Behältern muss der Füllstand prozessbedingt auf 50 % gehalten werden. Aufgrund der noch hohen Temperaturen und Drücke wurde der Füllstand bisher im Bypass mit einem Sensor mit geführtem Radar gemessen. Dies ist eine gebräuchliche und bewährte Messanordnung. Die Zusammensetzung des Gases führte jedoch immer wieder zu Ablagerungen am Sensorstab, die die Funktion der Messung beeinträchtigten und aufwändig entfernt werden mussten. Deshalb wurde hier der VEGAPULS 64 eingesetzt – mit Erfolg! Mit seiner extremen Fokussierung mit einem Abstrahlwinkel von nur 3° misst dieser Sensor sogar in einem DN 50 Bypass – messtechnisch bei hohen Frequenzen ein hoher, schlanker Behälter – das flüssige Gaskondensat exakt und wartungsfrei. (Abb. 3)

Rohsäuretanks
Bei der Sulfit-Zellstoffherstellung wird Kochsäure in großen Rohsäuretanks mit mehreren 100 m3 Inhalt im Außenbereich gespeichert. Da aus diesen Tanks die Kochprozesse versorgt werden, ist hier eine Füllstandmessung erforderlich. Dies erfolgt oft über eine Differenzdruckmessung, deren Messmembranen jedoch immer wieder gereinigt werden mussten. Auch hier wurde erfolgreich auf einen 80-GHz-Radarsensor VEGAPULS 64 umgestellt. (Abb. 4). Auch bei der hier unvermeidlichen Kondensatbildung wird der Füllstand
sicher erfasst: Durch den hohen Dynamikbereich des Sensors wird eine mögliche Signaldämpfung weitgehend kompensiert, spezielle Softwarealgorithmen blenden mögliche Störsignale aus.

Abwasseraufbereitung
Moderne, anaerobe Abwasseraufbereitungen in der Papierindustrie enthalten unter anderem mehrere große Sammeltanks, Konditionierer und Reaktoren. Für einen automatisierten und sicheren Betrieb dieser komplexen Prozesse sind angepasste Sensortechniken erforderlich. So werden Druckmessumformer zur Druckmessung des erzeugten Biogases, anhaftungsneutrale kapazitive Grenzschalter zur Schaumdetektion und Vibrationsgrenzschalter als Überfüllsicherung eingesetzt.

Die zur Füllstandmessung eingesetzten Radarsensoren VEGAPULS 64 für Flüssigkeiten in 80 GHz-Technik schlagen hier ein neues Kapitel der Prozessmesstechnik auf: Sie haben eine besonders hohe Dynamik von 120 dB, das heißt eine ausgeprägte Fähigkeit, sowohl sehr kleine, als auch sehr große Messsignale zu erfassen. Ein großer Dynamikbereich ist besonders bei Anwendungen in Reaktoren der Abwasseraufbereitung mit starker Schaumbildung vorteilhaft. Dadurch wird die zusätzliche Signaldämpfung an Schaumoberflächen kompensiert. Eine exakte Füllstandmessung ist damit in allen Betriebszuständen sichergestellt.


Das Unternehmen

VEGA Grieshaber KG ist ein weltweit tätiger Hersteller für Prozessmesstechnik. Das Produktportfolio umfasst Sensoren für die Messung von Füllstand, Grenzstand, Druck sowie Geräte und Software zur Einbindung in Prozessleitsysteme. VEGA hat es sich zum Ziel gesetzt, innovative Messtechnik zu entwickeln, die in Sachen Bedienbarkeit einfach zu handhaben ist und ein Maximum an Sicherheit und Zuverlässigkeit bietet.