Emerson Automation Solutions

Installationsfreundlich: das Druckmittlersystem Rosemount 3051S-ERS im Einsatz bei einem Chemieunternehmen.

Bild: Emerson

Elektronisches Druckmittlersystem Druckmesstechnik par excellence

04.06.2020

Das Messen des Füllstandes mittels Differenzdruck ist eine gut verstandene und zuverlässige Methode. Das genaue Erfassen an hohen Behältern und Kolonnen ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung. 2011 kam eine Lösung für dieses Problem auf den Markt und wurde seitdem kontinuierlich verbessert.

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Als eines der ersten Unternehmen brachte Emerson im Jahr 2011 ein wartungsarmes und elektronisches Druckmittlersystem auf den Markt: das Rosemount 3051S-ERS. Seitdem hat sich im Bereich der Messtechnik allerhand getan: Aufgrund neuer Erkenntnisse konnte das Leistungsspektrum erweitert werden, was zu einer vielfältigeren Anwendung des Systems verhalf.

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So beträgt die Leitungslänge zwischen den beiden Messzellen heute bis zu 68 m im eigensicheren Einsatz (Ex i). Sollte dies einmal nicht ausreichen, besteht durch das druckfeste Gehäuse (Ex d) die Möglichkeit, bis zu 152 m Leitung zwischen den beiden Messzellen zu installieren. Es gibt kaum Applikationen, die sich damit nicht realisieren lassen – selbst Längen, welche mit Kapillarleitungen schlichtweg nicht realisierbar sind. Ebenso neigen Impulsleitungen bei derart großen Distanzen zu Fehlern durch Kondensation oder Verdampfen, je nachdem, welchen Ansatz der Anwender hierbei verfolgt.

Zertifikate steigern Zuverlässigkeit

Auch im Bereich der Zertifizierung hat das System einiges zu bieten. So wurde es von der Exida gemäß IEC 61508 als einkanaliges SIL2-Gerät und im redundanten Aufbau als SIL3-Gerät zertifiziert. Je nach Ausführung des Systems liegen die SFF-Werte zwischen 90 und 93 Prozent. Schutzeinrichtungen profitieren somit ebenfalls von den Vorzügen dieser Technologie, wodurch die Anlagensicherheit jeglicher Industrien erhöht werden kann.

Zudem hat das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) das System als Überfüllsicherung zertifiziert und die WHG-Zulassung erteilt (Zertifikatsnummer Z-65.11-537). Unterstrichen wird die Zuverlässigkeit des Systems sowohl durch die 15-jährige erweiterte Gewährleistung des Herstellers als auch durch die 15-jährige Gewährleistung der Langzeit- sowie Nullpunktstabilität.

Erfahrung macht den Unterschied

Wo anfangs nur Applikationen mit relativ geringen statischen Drücken – wie sie zum Beispiel in Destillationskolonnen vorherrschen – mit ausreichender Genauigkeit realisiert werden konnten, deckt das System heute sogar Applikationen ab, in denen das Verhältnis zwischen hydrostatischem und dem tatsächlichen Behälterdruck weit über 10:1 liegt. Damit öffnet es das Anwendungsspektrum für viele weitere Teilanlagen. Füllstandsmessungen in Reaktoren, Filterüberwachung oder aber sämtliche Differenzdruckmessungen stellen somit keine Herausforderung mehr dar.

Allein durch die langjährige Felderfahrung in verschiedensten Applikationen sowie durch interne Testprozeduren konnte die Performance des Systems für hohe statische Drücke optimiert werden. So erreicht es eine Differenzdruckgenauigkeit von weniger als 20 mbar bei einem im Behälter vorherrschenden Druck von über 50 bar. Diese Genauigkeiten waren mit herkömmlichen Kapillarsystemen nicht möglich. Selbstverständlich ist die Leistung des Systems besser, wenn die Drücke der Applikation nur wenige bar betragen. Dann liegt die Genauigkeit bei wenigen mbar, wenn nicht sogar darunter.

Kapillarsysteme machen Schwierigkeiten

Waren früher Druckmittler meist unabdingbar für die Installation eines solchen Differenzdrucksystems, so sind heute an dieser Stelle Kosteneinsparungen möglich. Oftmals wird bei der Kopfdruckmessung in der Gasphase kein Druckmittler benötigt, was Flexibilität bei der Auswahl der Prozessanschlüsse schafft. Ob der klassische Manometer-Zapfen (G½-Zoll-Male) oder ein offener Prozessflansch: Hier stehen alle Möglichkeiten offen. Des Weiteren stellt die abgesetzte Montage vom Druckbehälter eine Option dar.

Die Leistung des Systems ist stets abhängig von der Auswahl der Messzelle sowie des Prozessanschlusses. Die tatsächlich zu erwartende Genauigkeit kann mithilfe der kundenseitig bereitgestellten Parameter je Applikation sehr genau bestimmt werden – selbst unter Berücksichtigung der im Jahreszyklus auftretenden Schwankungen in den Umgebungsbedingungen, welche bei Kapillarsystemen immer große Probleme verursachten. Ein kostspieliges Isolieren oder Beheizen dieser Kapillar- und Impulsleitungen entfällt und reduziert die Wartungsanfälligkeit des Systems ungemein.

Betrachtet man die Gesamtkosten zur Installation einer neuen Messstelle, ist der Anschaffungspreis des eigentlichen Equipments häufig der kleinste Part. Ausgehend von einem klassischen Kapillardruckmittlersystem mit jeweils 6-m-Kapillaren und einem DN80-Flansch pro Kapillare wird die Installation des Systems die Monteure vor eine Herausforderung stellen.

So ist ein Gerüst zur Montage kaum vermeidbar. Auch der sorgfältige Umgang mit dem recht empfindlichen System brachte schon häufig Probleme mit sich. Abknickende Kapillare, Engstellen zwischen Kolonne und Lichtgitterbühne erlauben es kaum, den Flansch an diesen Stellen sicher vorbei zu führen. Der Druckmittler wird immer wieder abgelegt beziehungsweise auf der Membranfläche abgestellt. Kommt es bei der Montage des Systems zu einer Beschädigung dieses empfindlichen Bauteils, muss das gesamte System demontiert und repariert werden, sofern dies möglich ist.

Keine Frage, dass solche Reparaturzeiten nicht in das Budget einer Abstellung passen. Sowohl der zeitliche Verzug als auch die zusätzlich anfallenden Kosten sind unnötig.

Modulares System spart Zeit und Geld

Im Vergleich dazu wird das Rosemount-3051S-ERS-System modular installiert. Jede Messzelle lässt sich unabhängig voneinander am jeweiligen Bestimmungsort montieren. Sind die Prozessanschlüsse über herkömmliche Arbeitsbühnen erreichbar, entfallen hier schon die Gerüstkosten.

Nach der Montage beider Messzellen werden diese mit einem vieradrigen Signalkabel verbunden. Zur Verlegung der Leitung kann die bereits bestehende Infrastruktur von Kabelbühnen genutzt werden.

Selbst wenn im Laufe der Jahre einmal ein Gerät getauscht werden muss, muss auch nur dieses Gerät und nicht das ganze System getauscht werden. Die zweite Messzelle verbleibt unverändert an ihrem Platz und kann problemlos in das neue System integriert werden. Somit lassen sich sowohl bei der Installation als auch im gesamten Lebenszyklus des Systems Zeit und Kosten sparen.

Für Anwender, die bereits jahrelange Erfahrungen mit dem System an verschiedenen Tanks gesammelt haben, ergibt sich ein weiterer Kostenvorteil. Hat man als Anwender einmal seinen eigenen Standard definiert, beispielsweise Bodendruckmessung mit einem DN80-/PN40-Flansch, und setzt dieses System bereits mehrfach ein, so kann die Ersatzteilhaltung drastisch reduziert werden. Die Messumformer sind dann für jedes System nutzbar und flexibel einsetzbar. Gleiches gilt natürlich auch für die Kopfdruckmessung.

AMS gewährleistet einfache Montage

Grundsätzlich besteht das elektronische Druckmittlersystem aus einer primären und einer sekundären Messzelle. Die primäre Messzelle beinhaltet zudem die Elektronik, welche den Differenzdruck bildet und auch den 4...20-mA-Ausgang bereitstellt.

Optional kann im primären Messumformer auch ein Display untergebracht werden. Dieses kann bei Bedarf auch abgesetzt montiert werden, um eine bessere Ablesbarkeit vor Ort zu gewährleisten. In diesem Fall führt die Elektronik im Display-Gehäuse sämtliche Berechnungen durch und liefert auch den 4...20-mA-Ausgang.

Die Parametrierung erfolgt, sofern nicht schon im Auslieferungszustand vorkonfiguriert, über das HART-Protokoll. Die intuitive Übersicht im Asset Management System (AMS) von Emerson hilft dem Anwender, sich schnell zurechtzufinden. Ein Inbetriebnahme-Assistent stellt sicher, dass keine zum ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen Einstellungen vergessen werden.

Welcher Messumformer die Berechnung und somit auch das 4...20-mA-Signal liefert, obliegt dem Kunden. Ob der Kopfdruck vom Bodendruck oder der Bodendruck vom Kopfdruck abgezogen wird, lässt sich auch später noch in der Elektronik über wenige Mausklicks definieren.

Zudem stehen dem Anwender die einzeln gemessenen Druckwerte ebenfalls zur Verfügung. Über das HART-Protokoll sind somit Bodendruck, Kopfdruck als auch der daraus resultierende Differenzdruck verfügbar. Mittels HART-Splitter oder HART-fähigem Prozessleitsystem sind diese zusätzlichen Werte kostengünstig integriert und geben einen besseren Einblick in den Prozess.

Durch die im Messumformer integrierten Füllstandsapplikationen können Behältergeometrien und Prozessdaten hinterlegt werden, sodass auf dem 4...20-mA-Signal auch direkt der Füllstand, beispielsweise in m3, ausgegeben wird. Dies erübrigt eine zusätzliche Parametrierung im Leitsystem. Behälter, die den Füllstand nicht gemäß einer herkömmlichen Behältergeometrie widerspiegeln, können mittels einer 20-Punkte-Linearisierung ebenfalls erfasst werden. Somit ist das System auf sämtliche Applikationen einstellbar.

Thermal Range Expander erweitert Einsatzmöglichkeiten

Erweitert man das Anwendungsspektrum einer Technologie, hat dies auch immer neue Herausforderungen zur Folge. Anschaulich beschreiben lässt sich dies am Beispiel eines Reaktionsbehälters mit Rührwerk. Die Bodendruckmessung läuft – je nach Stutzenanordnung – Gefahr, bei jeder Umdrehung des Rührwerkes einen Schwall von Produkt gegen die Messmembran gedrückt zu bekommen. Dies würde sich im Normalfall negativ auf das Differenzdrucksignal auswirken, da hier eine drehzahlabhängige Schwankung des Füllstandes angezeigt würde, welche jedoch nicht der Realität entspricht.

Abhilfe schafft hier die Dämpfung, die im elektronischen Druckmittlersystem von Emerson pro Messzelle und/oder auch über das gesamte Messsystem vorgenommen werden kann. Da die Kopfdruckmessung vom Rührwerk nicht beeinträchtigt wird, ist die Dämpfung an dieser Stelle nicht vonnöten. Allein die Dämpfung der unteren Messzelle löst das Problem, und das System als Einheit reagiert wie gewünscht nur auf Prozessänderungen.

Mit der Einführung des „Thermal Range Expander“, also einer Erweiterung für den Hochtemperaturbereich, hat Emerson eine Möglichkeit geschaffen, auch beim elektronischen Druckmittlersystem den Direktanbau bis zu einer Prozesstemperatur von kontinuierlichen 410 °C zu gewährleisten. Kurzzeitig (bis zu zwölf Stunden) sind auch Temperaturen von 454 °C realisierbar.

Hochviskose und somit hochtemperaturbeständige Füllöle, wie sie hier zum Einsatz kommen, können nicht in Verbindung mit Kapillarleitungen verwendet werden, da die Viskosität bei Umgebungstemperaturen zu hoch für eine Druckübertragung ist. Das Equipment hätte extrem lange Antwortzeiten, welche den Einsatz der Messeinrichtung in Frage stellen würde. Durch die vollverschweißte und werksseitig kalibrierte Kombination zweier Druckmittler mit unterschiedlichen Füllölen lassen sich nun auch diese Applikationen erfolgreich lösen.

Bildergalerie

  • Das Rosemount 3051S-ERS kam 2011 auf den Markt und hat seitdem zahlreiche Verbesserungen erfahren.

    Bild: Emerson

  • Beim Druckmittlersystem optional erhältlich ist das absetzbare Display.

    Bild: Emerson

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