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Promotion Messen aus einer Hand

20.05.2015

Prognosen zufolge wächst die Weltbevölkerung bis zum Jahr 2050 von derzeit sieben Mrd. auf bis zu zehn Mrd. Umso wichtiger wird der Schutz der knappen Ressource Wasser für die Wasserwirtschaft. Füllstands- und Durchfluss­technologien helfen bei der Optimierung der Aufbereitungs- und Verteilungssysteme.

Überwachungssysteme können Betreibern von Aufbereitungsanlagen größere Kontrolle über Anwendungen verschaffen und helfen Ressourcen sinnvoller einzusetzen. Durch Einbindung von Füllstand- und/oder Durchflussmessstellen können Betreiber die Prozesseffizienz verbessern, die Verschwendung von Wasser reduzieren, Vorschriften besser erfüllen, genauere Verbrauchsaufzeichnungen führen und die Trinkwasserqualität und -quantität erhöhen.

Die Entscheidung, ob ein Füllstand- oder Durchflussmesssystem für eine bestimmte Applikation im Wasser-/Abwasserbereich besser geeignet ist, setzt eine Zielsetzung für die Anlage voraus. Füllstandmessgeräte messen, wie viel Flüssigkeit, Schüttgut oder Schlamm in einem Behälter an einem bestimmten Punkt eines übergeordneten Prozesses enthalten ist. Sie helfen bei der Überwachung der Zu- und Abflussmengen von Abwasser, bei der Füllstandmessung von Chemikalien in Dosierbehältern während der Abwasserreinigung und bei der Leckageüberwachung/-alarmgebung. Durchflussmessgeräte dagegen messen, wie viel Flüssigkeit sich durch einen Prozess bewegt. Dies ermöglicht zum Beispiel, die Zufuhrrate von Chemikalien zur Abwasserbehandlung zu steuern, die Leistung von Pumpen und anderer Anlagenteile zu überwachen und Verrechnungssätze für Wasserkunden zu bestimmen.

Hat sich der Anlagenbetreiber für eine Technologie entschieden, sollte ein spezifisches System festgelegt werden. Dafür müssen anwendungsspezifische Faktoren berücksichtigt werden, wie die Eigenschaften des zu messenden Mediums, die Beschaffenheit des Behälters, in dem sich das Medium befindet, oder des Rohrs, durch das es fließt, die Umgebung, der gewünschte Genauigkeitsbereich, das erforderliche Wartungsniveau und die Kosten.

Prinzip Schallgeschwindigkeit

Ultraschallmessungen beruhen auf Schallgeschwindigkeit. Die Laufzeit vom Senden der Signalfolge durch den Ultraschall-Sensor bis zum Empfang des Echos ist direkt proportional zum Abstand zwischen Sensor und Medium im Behälter. Ein berührungsloses Ultraschall-Messsystem umfasst einen Sensor, der auf dem Behälter montiert ist, und einen Messumformer. Dieser berechnet die Laufzeit und wandelt sie in den Materialfüllstand um. Vorteil von Ultraschall-Systemen ist ihr geringer Wartungsaufwand, denn sie sind selbstreinigend, einfach einzustellen und zu installieren und besitzen keine beweglichen Teile. Sie sind eine kosteneffiziente Lösung für die Messung von Flüssigkeiten, Schlämmen und Schüttgütern in kleinen bis großen Messbereichen. Ultraschall-Sensoren sind in einem breiten Anwendungsspektrum erprobt, so zum Beispiel die Pumpensteuerung in Pumpwerken und Pumpenschächten, die Durchflussmessung im Einleitungskanal oder Schlammbehandlungsprozesse.

Für die Füllstandüberwachung in vielen Anwendungen kann ein Ultraschall-Füllstandmesssystem mit getrenntem Auswertegerät und Sensor gewählt werden. Die einkanaligen Ultraschall-Auswertegeräte der Baureihe Sitrans LUT400 von Siemens erlauben kontinuierliche Füllstandüberwachung und -steuerung mit einer Genauigkeit von 1 mm. Sitrans LUT400 ist mit den Ultraschall-Sensoren EchoMax von Siemens kompatibel, die mit ihren aktiven Sendeflächen Materialanbackungen verringern. Zusammen mit einer Überflutungshülse können diese Sensoren auch Überflutungs- oder Überfüllbedingungen erkennen. Dies erlaubt dem Auswertegerät, Pumpen einzuschalten oder den Betreiber zu benachrichtigen, um Maßnahmen zur Vermeidung einer Überfüllung zu treffen. Für die Füllstandmessung bestimmter Arten von Flüssigkeiten, Schlämmen und Schüttgütern in Wasser- und Abwasserbehandlungsanlagen wird die Radartechnik bevorzugt. Ein Radar-Füllstandmessumformer wird auf einem Silo montiert. Er sendet elektromagnetische Wellen auf die Materialoberfläche und misst die Laufzeit zwischen Sende- und Empfangssignalen. Eine Software zur Signalverarbeitung wandelt die Laufzeit in einen Abstandsmesswert, aus dem der Materialfüllstand im Behälter berechnet wird.

Schlämme, Schüttgut & Co.

Zu typischen Anwendungsbeispielen zählt die Füllstandmessung im anaeroben Faulturm, in Kalklagersilos und bei der Aktivkohlelagerung. Kalk- und Kohlepulver sorgen für extrem staubige Umgebungen und neigen zur Verklumpung – beide Bedingungen sind für berührungslose Füllstandmesstechniken schwierig. So entscheiden sich viele Kunden für produktberührende Technologien wie geführtes Radar. Allerdings kann sich Staub auf der Sonde des Geräts ansammeln und zu falschen Messwerten sowie erhöhten Wartungskosten aufgrund der Reinigung führen. Sitrans LR560 ist ein berührungslos arbeitender Füllstandmessumformer für Schüttgüter. Er kann in solchen Anwendungen vielmals produktberührende Geräte ersetzen. Sein hochfrequentes Signal von 78 GHz und sein schmaler Öffnungswinkel von vier Grad erlauben ihn problemlos in staubigen Umgebungen oder bei hohen Schüttkegeln zu betreiben.

Kapazitive Grenzstandschalter erfassen Füllstände in Behältern mit Flüssigkeiten, Schlämmen oder Schüttgütern und arbeiten im Umkehrfrequenzverfahren. Wenn der Schalter nicht mit Material bedeckt ist, hat er eine höhere Oszillatorfrequenz. Sobald das Material die Sondenspitze berührt, wird die Oszillatorfrequenz reduziert. Die Frequenzänderung wird erfasst und das Betriebspersonal per Schalter benachrichtigt. Selbst kleine Füllstandschwankungen erzeugen große Frequenzänderungen. Daher liefern kapazitive Geräte eine ausgezeichnete Auflösung und Genauigkeit, besonders bei Materialien mit niedrigem DK-Wert, wie zum Beispiel Schaum.

Die Schalter eignen sich für verschiedene Anwendungen im Bereich Wasser/Abwasser wie Schaumerfassung und Steuerung in Faultürmen, Minimal- und Maximal-Füllstanderfassung in Abwasserpumpstationen und Pumpenschächten sowie Überfüllsicherung in einem Behälter, Pumpensumpf oder Silo.

Die hydrostatische Füllstandüberwachung ist eine weitere, erwähnenswerte Messtechnik. Der hydrostatische Druck einer Flüssigkeitssäule wirkt auf die Membran des Sensors und überträgt die Druckhöhe auf den piezoresistiven Sensor. Die Druckhöhe wird daraufhin in ein Analogsignal gewandelt, das proportional zum Füllstandmesswert ist. Brunnensonden können in Wasser-, Abwasser- oder Bewässerungsanwendungen eingesetzt werden, wo herkömmliche Ultraschall- oder Radarsysteme nicht geeignet sind.

Alles im Durchfluss

Bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten wird ein Magnetfeld innerhalb einer fließenden Flüssigkeit erzeugt. Wenn die Flüssigkeit durch dieses Feld fließt, wird ein Spannungssignal erzeugt, das Elektroden abgreifen und in die Durchflussmenge umwandeln. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte eignen sich zur Messung nahezu aller elektrisch leitenden Flüssigkeiten, Breie und Schlämme mit einer minimalen Leitfähigkeit von 5 µS/cm. Sie liefern hochgenaue Durchflusswerte. Temperatur, Druck, Dichte und Viskosität sind für das Messergebnis ohne Belang. Weitere Vorteile: keine beweglichen Teile für Bedienungs- und Wartungskomfort, verschleiß- und korrosionsfeste Auskleidungen für erhöhte Beständigkeit, Fähigkeit, sehr geringe Durchflussmengen zu messen, und Flexibilität für eine kompakte oder getrennte Montage. magnetisch-induktive Durchflussmessung eignet sich für zahlreiche Applikationen in der Wasser-/Abwasserwirtschaft, darunter Wasserentnahme, Durchflussüberwachung von Spülwasser, Flockung und Gerinnung, Chlordesinfektion, Umkehrosmose, Anlagenzulauf, Rücklaufschlamm, Leckageerkennung, Verrechnung und Bewässerung.

Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmessgeräte verfügen über zwei oder mehr externe Messaufnehmer, die Ultraschallsignale durch eine Rohrwand hindurch übertragen und empfangen. Die Durchflussmenge kann über zwei Verfahren bestimmt werden: Das Laufzeitverfahren berechnet die Differenz in der Ankunftszeit zwischen Schallwellen in Strömungsrichtung und Schallwellen, die sich entgegen der Strömungsrichtung bewegen; im Doppler-Betrieb wird Schallenergie von Gasbläschen oder Schwebeteilchen zurückgeworfen, wodurch es zu einer messbaren Frequenzverschiebung kommt. Clamp-on-Messgeräte können nahezu alle Flüssigkeiten oder Gase messen, ohne Druckabfall oder Energieverlust. Neben der Verringerung von Einbauzeit und Wartungsaufwand machen die extern montierten Messaufnehmer die Messgeräte zu einer idealen Wahl für Retrofit-Anwendungen und Prozesse, in denen die Betriebsbedingungen das Trennen von Rohren ausschließen.

Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräte verwenden dieselbe Laufzeitmethode wie Clamp-on-Geräte, werden aber ins Rohr eingebaut. Die Inline-Ultraschall-Messtechnik ist zur Messung der meisten elektrisch leitenden und nichtleitenden Flüssigkeiten mit guter akustischer Permeabilität geeignet. Sie erfordert ein kosten- und zeitaufwendigeres Installationsverfahren als Clamp-on-Messgeräte, bietet aber höhere Genauigkeit und Zulassungen für den eichpflichtigen Verkehr. Sie bietet eine große Auswahl an Messaufnehmern und ist praktisch wartungsfrei, da keine beweglichen Teile vorhanden sind.

Bildergalerie

  • Füllstand- und Durchflussmessgeräte unterstützen Betreiber von Aufbereitungsanlagen bei der Kontrolle von Wasser-/Abwasser-Applikationen und beim sinnvolleren Einsatz von Ressourcen

    Bild: Siemens

  • Einkanalige Ultraschallauswertegeräte der Baureihe Sitrans LUT400 arbeiten auf 1 mm genau.

    Bild: Siemens

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