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Mechanisches Lot - berührungsloses Radar – geführte Mikrowellentechnologie: von klassisch bis innovativ

Moderne, hochwertige Technologien gewährleisten einen kontinuierlichen stressfreien Herstellungsablauf in Anlagen. Bei der Detektion von Füllständen in Silos und materialverarbeitenden Prozessen bieten Sensoren mit hoher Kompatibilität für unterschiedliche Prozessbehälter die optimale Unterstützung. Das zu kontrollierende Material kann je nach Bearbeitungsstufe von ganz unterschiedlicher Beschaffenheit sein und unterschiedliche Anforderungen an die einzusetzende Messtechnik stellen. Das UWT Sortiment bietet für den Einsatz in Feststoffen und Flüssigkeiten kapazitive Messtechnik, Schwinger sowie mechanische Lösungen.
In der kontinuierlichen Messung wurden die Lösungen ergänzend zu Lotsystem und berührungsloser Radartechnologie um eine innovative TDR Produktlinie erweitert. So kann für Anlagen je nach Prozessbedingung und zu messendem Medium die passende Sensorik aus einem umfangreichen Repertoire konfiguriert werden. Ein Zementhersteller, der in Polen produziert, implementierte das geführte Radar bereits in einige Lagerprozesse.

Präzise Füllstandmessung im Lagerprozess

Um eine kontinuierliche Wertschöpfungskette sicherzustellen, müssen sowohl die Rohprodukte als auch das fertige Endprodukt fachgerecht und transparent gelagert werden. In einer Zementanlage oder bei der Klinker- und Betonherstellung innerhalb Zementwerken sind dies neben den fertigen Zementsorten verschiedene Rohprodukte an Bausteinen und Erden welche auf dem Weg zum Endprodukt in der Anlage unterschiedliche Verarbeitungsstufen durchlaufen. Ein bestimmter Wasseranteil wird den jeweiligen Mischungen ggf. beigemischt. In verschiedenen Phasen des Produktionsprozesses weisen insbesondere die Feststoffe unterschiedliche Dichten, verschiedene Korngrößen mit unterschiedlicher Staubentwicklung sowie einen differierenden Feuchtigkeitsgehalt auf. Die Lagerbehälter einer Zementanlage in Polen variieren in ihrer Höhe sehr individuell und erreichen vereinzelt bis zu 100 Meter. Der Rohschotter wird über Förderbänder oder mit Seil- und Schienenbahnen in das Zementwerk gebracht. Hier wird er in einem Mischbettsilo eingelagert und homogenisiert. Nach Gewinnung, Förderung, Zerkleinerung und Homogenisierung wird das Rohmaterial zu Rohmehl gemahlen, entsäuert und anschließend im Drehofen bei etwa 1450°C / 2642°F zu Zementklinker mit Korngrößen von bis zu 50 Millimetern gebrannt, der anschließend gekühlt und gemahlen wird. Pro Sprengung fallen Gesteinsmengen von bis zu 19000 Tonnen an. Das homogenisierte Rohmaterial wird in Polen nahezu ausschließlich trocken aufbereitet. Hierzu wird das Rohmaterial während des Zerkleinerns in einer Wälz- oder Kugelmühle mit heißem Gas, meist aus dem Abgas des Ofensystems, getrocknet. Mitunter werden Korrekturkomponenten wie Quarzsand oder Eisenerz zugesetzt, um die erforderliche chemische Zusammensetzung des Rohmehls einzustellen. Auch alternative Rohstoffe können bereits der Rohmühle zugegeben werden, um eine optimale Vermischung mit den anderen Rohstoffen zu erzielen. Große Wälzmühlen mahlen stündlich bis zu 250 Tonnen Rohmehl.

Daher war für die Ausstattung des Zementherstellers eine sichere und qualitativ hochwertige Messtechnik unerlässlich. Es kommt auf Funktionalität, einfache Handhabung und lange Lebensdauer der Produkte, in Übereinstimmung mit den hohen Anforderungen Baustoffindustrie an. Innovative Technologien kombiniert mit umfassendem Branchenwissen ermöglichten der UWT GmbH eine umfangreiche Palette an maßgeschneiderter Messtechnik bereitzustellen. UWT Lösungen für die Messung von Füllstand und Grenzstand werden in Siloanlagen und Prozessbehältern von Zementwerken bereits seit vielen Jahren weltweit erfolgreich eingesetzt. In der Praxis hat sich mehrfach das einfache elektromechanische Messverfahren des Lots bewährt. Der Sensor gilt als ein Klassiker unter den Überfülldetektoren und kommt gerne bei extrem anhaftenden Materialien zum Einsatz sowie bei vorhandenen Verstrebungen im Prozessbehälter. Bisweilen kommt auch der FMCW-Radar-Füllstandmessumformer zum Einsatz. Insbesondere dort wo in speziellen Anwendungsfällen eine berührungslose Messtechnik gewünscht ist. Eine robuste Messung in festen sowie flüssigen Materialien bieten TDR Sensoren. Diese geführten Radargeräte werden zur konstant präzisen kontinuierlichen Füllstandmessung unter schwierigen variierenden Prozessgegebenheiten mit hohen Abzugskräften, Anbackungen oder Kondensatbildung eingesetzt. Eine zuverlässige Überfüllsicherung sowie Leermeldung ist gewährleitet.

Einfach, universell und zuverlässig mit geführter Radarsensorik
Aufgrund der Vielseitigkeit seiner Prozessbedingungen entschied sich der Anlagenbetreiber für die Installation mehrerer geführter Radarsensoren innerhalb der Lagerprozesse. Diese unempfindliche Technologie gilt als Multitalent in sämtlichen Materien und liefert durchgehend ein zuverlässiges Füllstandsignal. Hochfrequente Mikrowellenpulse werden auf ein Seil oder einen Stab gekoppelt und entlang der Sonde geführt. Der ausgesendete Impuls wird von der Produktoberfläche reflektiert. Die Zeitdifferenz zwischen dem gesendeten und reflektierten Impuls wird in einen Füllstand umgerechnet. Anders als beim Lot befinden sich mit dem geführten Radar keine mechanisch bewegten Teile innerhalb der Prozessbehälter. Im Gegensatz zum berührungslosen Radar werden Mikrowellen mit niedrigeren Frequenzen ausgesendet, wodurch auch bei hoher Staubintensität keine Störreflexion erzeugt wird. Dadurch kann der Energieanteil der Mikrowelle ausschließlich zur konkreten Füllstandbestimmung verwendet werden. Er eignet sich also optimal für den Einsatz in Lagerprozessen mit staubiger Umgebung, wie die der baustoffverarbeitenden Industrie. Er ist stauexplosionsgeschützt und misst auch unter schwierigen Prozessbedingungen in Silos, Tanks und Rohren präzise auf +-2mm genau. Es wurden zwei Serien umgesetzt, der NivoGuide® NG 3000, der speziell auf die Bedürfnisse von Feststoffen ausgerichtet ist und der NivoGuide® NG 8000 für Anwendungen in Flüssigkeiten, Pasten, Schäumen, Schlämmen, Ölen sowie zur Trennschichtmessung. Die Geräteausführungen sind je mit individuell auf die Applikation anpassbaren Auslegern mit Stab- und Seilverlängerung ausgestattet.
Der NivoGuide® NG 3000 kam zunächst in den Rohstoff- und Klinkersilos sowie bei der Zementlagerhaltung zum Einsatz. Neben hohen Sicherheitsstandards, die es zu erfüllen gilt, spielten einige weitere Faktoren eine entscheidende Rolle für den effizienten Einsatz der passenden Messtechnik. So kommt es bei den Lager- und Verarbeitungsprozessen innerhalb des Zementwerks häufig zu Anhaftungen am Ausleger, was zu Fehlschaltungen führen kann. In solchen Prozessbehältern war die Seilausführung des geführten Radars NivoGuide® 3000 zu wählen, denn dieses ist mit einer speziellen PA-Beschichtung versehen, um sowohl Anhaftung vorzubeugen als auch eine Lösung für abrasive Medien zu schaffen. Die PA-Beschichtung verbesserte zudem die Abriebfestigkeit der Seile, da sich feinkörnige Schüttgüter nicht in den Maschen des Seils festsetzen konnten. Die Seilstärken sind je nach Silohöhe und mechanischer Belastung anzuwenden. Diese kann bei Schüttgütern mit entsprechenden Korngrößen (bei Klinker bis zu 50 Millimeter) und hohen Abzugskräften eine Rolle spielen, was die Überlegung für die speziell für den baustoffverarbeitenden Bereich ausgelegte Sondendurchführung des TDR rechtfertigte. Und zwar wurde eine auf den Schüttgutbereich optimierte Einkopplung verbaut die sich durch eine axiale Abstützung der Sonde im inneren des Prozessanschlusses auszeichnet und sich konstruktiv zu gängigen geführten Radarsensoren unterschied. Dadurch wurden die auf die Sonde wirkenden Zugkräfte optimal verteilt, was eine Belastung von bis zu 30kN (Kilonewton) ermöglichte. Unterschiedliche Seildurchmesser von 4 und 6 Millimeter sind optimal auf die herrschenden Zugkräfte ausgelegt. Das Seil reist also auch unter hoher Belastung nicht und unterstützt die Langlebigkeit des Sensors. Generell sollte bei hohen Silos ein dickeres Seil verwendet werden. In ihrem konstruktiven Aufbau sind die Seile des Feststoff TDR im Unterschied zum geführten Radar für Flüssigkeiten mit verdrehten dickeren Litzen ausgestattet. Zudem ist die Webart der Seile so, dass in Flüssigkeiten ein flexibles Seil und für Feststoffe ein eher starres Seil, das straff im Silo hängt, verwendet wird. Bei der Stabausführung der NivoGuide® Serie wurde mit einem 16 Millimeter Stabdurchmesser der Widerstand gegen Biegung bei Oberflächenbewegung des Schüttguts beim Befüllen oder Entleeren erhöht. Die Aufnahme des Stab- und Seilauslegers unterschied sich ebenfalls je nach Medium, diese ist bei Flüssigkeitsgeräten konisch, um ein Abtropfen zu ermöglichen.

Der Einsatz in den engen, hohen Silobehälter zur Zementlagerung war mit der Seilausführung des NG 3 mit großen Messdistanzen bis zu 75 Meter ohne Performanceverlust realisierbar. Die Montageposition erforderte hierbei einen Wandabstand von lediglich 30 Zentimeter. Typische Füllguteigenschaften wie Feuchtegehalt, Mischverhältnis oder Korngröße spielten keine Rolle und machten die Projektierung einfach. Auch bei sich ändernden Prozessbedingungen von Temperatur, Druck oder DK Werten wird die Genauigkeit des Messergebnisses nicht beeinflusst, da kein Abgleich auf das jeweilige Medium notwendig ist.

Intelligenter TDR mit hilfreichen Diagnosemöglichkeiten

Die intelligente Software der geführten Radarsensorik ermöglicht eine hohe Anlagenverfügbarkeit. Echokurven werden aufgezeichnet und gespeichert und im Laufe der Zeit lernt der Sensor sozusagen dazu und weiß zu unterscheiden welche Signale sich verändern und welche sich konstant an einer Stelle befinden. Störende Einbauten können so identifiziert werden und Einsätze von Servicetechnikern aufgrund fehlerhafter Füllstandsignale werden vermieden. Das Programmierelement mit einem aufsteckbaren Anzeige- und Bedienmodul sowie einem Deckel mit Sichtfester ermöglicht ein sehr nutzerfreundliches Bedienen des TDR NivoGuide®. Umfangreiche Diagnosefunktionen sorgen für ein rasches und sicheres Handling. Es werden beispielsweise aktuelle Messwerte sowie Inbetriebnahme Parameter angezeigt. Die parametrierten Daten können gespeichert und auf andere geführte Radargeräte übertragen werden, was eine erhebliche Zeitersparnis des Installationsvorgans zur Folge hatte. Die geführte Schnellinbetriebnahme in 5 einfachen Schritten erfolgt intuitiv auf die Anwendung mit optimaler Anpassung des Sensors. Für den Anlagenbetreiber war es somit ein Leichtes die NivoGuide® Sensoren rasch in Betrieb zu nehmen.

Transparenz und Planungssicherheit durch Visualisierung

Anwender mit einer Reihe an gestreut platzierten Lagersilos erachten es außerdem für ihre Anlagen als immer notwendiger, diese zusätzlich zur kontinuierlichen Messung der Füllstände, bevorzugt mit einer automatisierten Visualisierung und Überwachung der Daten auszustatten. Detektierte Messergebnisse der Sensoren werden schnell und einfach mit einer Software dargestellt und sind jederzeit bequem vom Bildschirm aus abrufbar. Durch effektive Silologistik erhöht sich dann auch Transparenz und Planungssicherheit für den Anlagenbetreiber. Die TDR Reihe des NivoGuide® wurde daher mit einer entsprechenden Ausstattung versehen, die ein analoges 4-20mA Signal sowie eine Modbus RTU oder Profibus DP Schnittstelle für die Auswertesysteme beinhaltet.

Die Datenvisualisierung liefert dem Anlagenbetreiber für eine transparente Zementherstellung Füllstände in Höhe, Prozent, Gewicht oder Volumen. Es werden Trends gespeichert, E-Mails über Füllstände oder Silovollmeldungen können aktiviert werden, sogar die einzelnen Füllstandsensoren lassen sich parametrieren. Saubere Routenplanung und gezielte Bevorratung für die Kostenoptimierung in der Materialauslieferung können so erleichtert werden.