UWT GmbH Level Control

Bild: UWT

Verfahrenstechnik Mit Schwingstab und Vibrationsgabel

20.04.2016

Sei es bei der kontinuierlichen Füllstandmessung oder durch die Detektion der Grenzstände in Zwischenbehältern: Im Schüttguthandling trägt sensorische Messtechnik dazu bei, dass bei der Produktion alles glatt geht. Denn Voll- und Leermeldungen sind entscheidend für den Übergang des Materials von einer Prozessstufe zur nächsten.

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Global agierende Schüttgutanlagen-Betreiber suchen für ihre Lagersilos häufig nach einer regelmäßigen Füllstandsdetektion. Gefragt auch: die Visualisierung der Bestände. Sei es für verschiedene Rohprodukte wie Getreide, Kupfer oder Salze, Zwischengemische oder Enderzeugnisse. Die Rohwaren durchlaufen auf dem Weg zum Endprodukt in einer Anlage unterschiedliche Prozesse. Die Hauptprozesse betreffen meist das Lagern, Verwiegen, Trocknen, Filtern und Mischen. Teilweise spielen auch Kühlen und Zerkleinern eine Rolle. Hinzu kommen Förder- und Dosieranwendungen. Mess­technik kommt in sämtlichen Bereichen zum Einsatz, um entsprechend Füllstände anzuzeigen oder den Grenzstand der Schüttgüter zu kontrollieren. Zuverlässige Sensorentechnologie ist unerlässlich, um Abläufe während der Fabrikation sicher zu gestalten. An der Gestaltung logistischer Abläufe haben Lagerprozesse entscheidend Anteil. Es beginnt meist mit den Rohwaren, die nach der Anlieferung, Verwiegung und Reinigung in Rohstoffzellen (Silozellen) befördert und eingelagert werden. Sie bleiben dort bis zur weiteren Verarbeitung. Auch werden Endprodukte in Fertigzellen bis zur Auslieferung zwischengelagert. Die Überlegung der Anlagenbetreiber zum Silomanagement kommt daher, eine saubere Routenplanung bei der Materialauslieferung sowie gezielte Bevorratung für die Rohwarenanlieferung zu ermöglichen.

Messtechnik und Prozessablauf

Selbst Großbetriebe mit mehreren Lagersilos verfügen oft über keine automatisierte Füllstandüberwachung zur Bestandsmengenkontrolle. Die Nivotec-Datenvisualisierungsreihe des Füllstandsexperten UWT beinhaltet Komplettsysteme zur Füllstand- und Trendanzeige, Datenspeicherung sowie Füllstandfernabfrage. So kann sie individuell auf das Anlagenkonzept abgestimmt werden. Neben Füllstandgrenzschaltern und Inhaltsmesstechnik lassen sich Sicherheitseinrichtungen wie Quetschventile zur Überfüllsicherung und Absicherung gegen Falschbefüllung einbinden. Die Nivotec-Hardware stellt für die Füllstandsensorik alle gängigen Schnittstellen zur Verfügung, wie 4-20mA, Modbus RTU, Ethernet, digitale Ein- und Ausgänge. Je nach Medium und Anwendungseinflüssen kann das Messprinzip mit dem Silomanagement kombiniert werden. Voll- und Leersignale lassen sich mit mehreren Grenzschaltern umsetzen, wie mit der Schwinggabelsonde, dem Drehflügelmelder oder Vibrationsstab. Die Inhaltsmessung übernimmt das Lotsystem oder berührungslose Radar. Für die Lagerhaltung hat UWT eine wirtschaftliche und praxisgerechte Lösung zur zentralen Füllstandfernabfrage entwickelt.

Auf jedem Lagersilo der Anlage wird das wartungsfreie Lotsystem Nivobob zur kontinuierlichen Füllstandüberwachung angebracht. Bei Lotsensoren handelt es sich um gängige elektromechanische Messverfahren, die sich für unterschiedliche Schüttgüter eignen. Zur einfachen Montage ist lediglich beispielsweise eine übliche 1,5 Zoll-Gewindemuffe im Silodach nötig. Innerhalb der Serie bietet das Lot eine Vielzahl Fühlgewichte, die an einem Band oder Seil vom Behälterdach in das jeweilige Silo fahren, dort auf die Füllgutoberfläche treffen und sofort nach oben in die Endlage gefahren werden.

Der zurückgelegte Weg wird vom Sensor in ein Füllstandsignal gewandelt. Die Lote sind für Messdistanzen in hohen Silos bis zu 50 m problemlos einsetzbar. Das Design ist so konzipiert, dass Füllstände trotz großer Behälterdurchmesser, steiler Schüttkegel sowie bei hoher Staubentwicklung stets präzise detektiert werden. Je nach Fühlgewicht kann die Sensibilität auf das entsprechende Medium angepasst werden. Da das Lot der Nivobob 4000-Serie nun auch über eine Modbus-Schnittstelle für die Auswertesysteme verfügt, kann der Sensor mit der Visualisierung Nivotec einfacher zusammenarbeiten. Alle erforderlichen Füllstand- und Diagnoseparameter können von Nivotec am Nivobob 4000 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Die Lot-Sensoren werden in der Anlage im Busnetz verdrahtet, installierte Vollmelder direkt am Nivobob auf den Modbus geschaltet, was den Verdrahtungsaufwand verringert.

Alternativen mit berührungs­loser Messtechnik

Radarsensoren werden neben Loten häufig zur kontinuierlichen Füllstandmessung in Schüttgut-Lagersilos eingesetzt. Sie messen Distanzen bis zu 100 m und können durch die hohe Sensibilität insbesondere in sehr feinen Schüttgütern eingesetzt werden. Um Anlagen eine innovative berührungslose Messlösung für ihre Silos zu bieten, hat UWT mit dem NivoRadar NR 3000 einen neuen Radarsensor ins Produktportfolio aufgenommen. Mit robustem Edelstahlgehäuse behauptet sich der NR 3000 in unterschiedlichen Anwendungen, selbst bei der Detektion schwieriger Medien. Das Gerät arbeitet mit 78 GHz Hochfrequenz: Das Signal wird mit einer engen Strahlkeule von nur 4° ausgesendet, vom Schüttgut reflektiert und anschließend wieder vom Sensor empfangen.

Nun wird die Frequenzdifferenz, die direkt proportional zum Abstand ist, weiterverarbeitet und als Füllstandsignal ausgegeben. Die schmale Strahlkeule ermöglicht den Einsatz in engen hohen Silos und erleichtert Einbau und Platzierung des Sensors. Über den Verstellflansch wird der Radar perfekt ausgerichtet, da die Strahlkeule auf den gewünschten Punkt fixiert werden kann. Aufgrund des standardmäßigen Luftspülanschlusses für die Reinigung der Linsenantenne ist ein Einsatz in Schüttgütern, die zu Anhaftung neigen, problemlos möglich. Auch bei Kondensatbildung sichert der Spülanschluss funktionssichere Messung.

Der frei strahlende Radarsensor hat eine komplett staubdichte Verbauung und liefert zuverlässige Messergebnisse bei hohen Prozesstemperaturen. In Lagerprozessen lässt sich der NivoRadar ohne Weiteres mit dem Visualisierungssystem Nivotec verbinden und gut als Element zur Füllstandbestimmung kombinieren. Die Datenvisualisierung liefert die detektierten Füllstände in Höhe, Prozent, Gewicht oder Volumen. Es werden Trends gespeichert, E-Mails über Füllstände oder Silovollmeldungen können aktiviert werden. Die Fernabfrage der gewonnenen Daten kann auch über ein GSM-Modem erfolgen. Dort können aktuelle Messwerte über die Nivotec-Visualisierungssoftware an jedem Ethernet-PC per Internetbrowser abgerufen werden. Der Datenzugriff erfolgt zeitnah, weil die Visualisierungs-Controller direkt im Firmen-Ethernet eingebunden sind. Die Systeminstallation ist unkompliziert und kann durch eigene Servicekräfte erfolgen. Weil sämtliche detektierte Füllstände jederzeit verfügbar sind, ist ein gewisser Grad an Planungssicherheit für den Anlagenbetreiber gewährleistet.

In Prozessanwendungen wurden zuletzt häufiger Messtechnik-Lösungen nachgefragt, die gängige technische Features aufweisen und sich in vielen Applikationen ohne großen Konfigurationsaufwand einsetzen lassen. Bevorzugt werden kompakte robuste Einstäbe, beispielsweise für kleine Behälter in materialverarbeitenden Prozessen eingesetzt. Ein Design, das sich international etabliert hat, weist sehr kleine Anschlussgewinde auf und arbeitet nach dem Vibrationsprinzip.

Lösungen mit dem kompakten Schwingstab

Die Schwing- oder Vibrationsgabel greift das Design auf. Das breite Lösungsspektrum der Reihe wurde über die Jahre in eine Vielzahl an Anwendungsprojekten eingebunden. Darauf aufbauend erweiterte die UWT ihre Produktfamilie um einen neuen Schwingstab. Dieser ergänzt die Schwinggabelmodelle und bietet Anlagenbetreibern konstruktionsbedingt die gewünschte Flexibilität. Der Fokus liegt dabei auf hoher Kompatibilität für unterschiedliche Behälter- und Prozesskonditionen, was ein Mehr an Flexibilität für Anwender zur Folge hat. Die UWT erweiterte dementsprechend ihre Produktfamilie um den Schwingstab Mononivo MN 4000, vom Aufbau her eine Einstabsonde mit sehr kompakter Bauform. Dieser folgt demselben Messprinzip wie die Vibrationsgabel: Er schwingt piezoelektrisch angeregt auf einer mechanischen Resonanzfrequenz. Wird die Sonde durch das Material bedeckt, wird die entstehende Dämpfung elektronisch registriert und ein entsprechender Schaltausgang betätigt.

Die Schwingsonde ist eine weitere unkomplizierte Lösung zur Grenzstanderfassung unter den Vibrationsprinzipien und ergänzt die Schwinggabel Vibranivo. In unterschiedlichen materialverarbeitenden Prozessen können diese Detektoren aus der Vibrationsfamilie zum Einsatz kommen. Der Stabdetektor verfügt über kleine Anschlussgewinde ab 1" und eignet sich gut als Voll-, Bedarfs- oder Leermelder in Silos und Tanks mit begrenztem Raum. Vor allem wird der Einsatz als Rückstaumelder in Rohren und Schächten ermöglicht. Durch die hohe Oberflächengüte des Sondenauslegers können vielfältige Anwendungen, auch bei zu Anhaftung neigenden Materialien, umgesetzt werden.

Aufgrund der vierstufig einstellbaren Sensibilität werden sehr leichte, pulvrige Schüttgüter ab 20g/l zuverlässig erfasst, selbst wenn sie zur Brückenbildung neigen. Gleichzeitig ermöglicht die robuste Verbauung grobkörnige Granulate zu messen. Branchenunabhängig kann das Gerät zur Detektion sowohl von Kunststoffen, Nahrungsmitteln sowie Baustoffen oder chemischen Materialien für Prozesstemperaturen bis zu 150 °C eingesetzt werden. Auch stellen MN 4000-Modelle wirtschaftlich umsetzbare Lösungen dar.

Der neue Mononivo-Schwingstab weist bereits in der Standardausführung hohe Kompatibilität zu den gängigsten Anwendungsbereichen weltweit auf. Er ist robust, leicht und ohne Kalibrierung in Betrieb zu nehmen. Bereits bei der Sensorauswahl kann er durch die verschiedenen Geräteserien exakt und ohne großen Aufwand auf die Applikation konfiguriert werden. So gibt es die Stabmesssonde mit verschiedenen Flanschen sowie variablen Auslegerlängen mit Rohrverlängerung. Durch die Ausstattung des Schwingstabes mit weltweit gebräuchlichen Geräteattributen lässt sich dieser reibungslos in das Projektierungskonzept zur Messtechnik-Ausstattung einer Anlage integrieren. KIT-Lösungen mit anwendungsbezogenem Produktdesign sind leicht umsetzbar, was individuell schnell anpassbare Gerätebauweisen bedeutet. Sämtliche Mononivo-Modelle sind modular aufgebaut.

Die Vibrationsgabel für leichte Materialien

Viele Applikationen zur Füllstandmessung löst die UWT bisher mit der Vibrationsgabel-Serie Vibranivo. Die Gabel misst aufgrund ihrer hohen Sensibilität ab 5 g/l bevorzugt leichte Medien wie Kunststoffpulver, Mehl oder Kieselsäure sowie pastöse Materialien. So findet sich in Anlagenprozessen unterschiedlicher Branchen ein breites Einsatzspektrum. Branchenübergreifend hat sich die Reihe der VN 2000-Gabeln bewährt. Zum Einsatz kam diese beispielsweise in Getreideanlagen, Mischanlagen für Baustoffe, im Müllheizkraftwerk oder in der Petrochemie. Für einen kunststoffverarbeitenden Verpackungshersteller konnte mit dem Vibranivo 2000 Anfang des Jahres eine Lösung zur Füllstandüberwachung des Kunststoffpulvers in den Extrusionsleitungen installiert werden. Das ungewöhnlich leichte Material erzeugte eine staubige Prozessumgebung. Demnach war eine komplett staubdichte Verbauung des Messsensors unabdingbar. Hilfreich war die vergossene Elektronik des VN-Sensors sowie seine robuste Konstruktion mit aus Edelstahl gefertigten Schwingschenkeln.

Beim abschließenden Verladen unterschiedlicher pulvriger Stoffe benötigte der Anlagenbetreiber ebenfalls eine Lösung zur Füllstanddetektion. Materialien, die beim Befüllen der Lkws zurückbleiben und in separaten kleinen Behältern gesammelt werden, sollten detektiert werden. Da der Einbau der Gabelreihe senkrecht, waagrecht sowie schräg möglich ist, konnte für jeden Behälter, entsprechend seiner ergonomischen Gegebenheiten, eine passgenaue Ausrichtung des Sensors zur zuverlässigen Detektion erfolgen. Mit der kompakten Auslegerlänge ab 235 mm ließ sich ebenfalls der Einsatz in kleineren Prozessbehältern problemlos realisieren.

Bildergalerie

  • Die Datenvisualisierungsreihe Nivotec beinhaltet Komplettsysteme zur Füllstand- und Trendanzeige.

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  • Der Radarsensor Nivo-Radar NR 3000 kommt dank robustem Edelstahlgehäuse selbst bei der Detektion schwieriger Medien zum Einsatz.

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