Innovative Füllstandsmessungen mit Lichtgeschwindigkeit

Aufgrund der zunehmenden Automatisierung werden immer mehr intelligente Sensoren für innovative Anwendungen in der Mühlenindustrie eingesetzt. Eine wichtige Gruppe von Sensoren für die Prozesskontrolle sind Sonden für die Erkennung von hohen und niedrigen Füllständen in Behältern und Silos, für den Aufstauschutz, die Durchflussüberwachung, die Bereichsmessung und die Positionsverfolgung. Die am häufigsten eingesetzten Lösungen von Grenzstandsensoren sind Drehflügelmelder, Kapazitätssonden und Schwingstäbe in der Mühlenindustrie.

Drehflügel-Füllstandssensoren haben sich für die Grenzstandmeldung in Behältern und Silos für Schüttgüter bewährt. Ein rotierender Flügel wird von einem Motor kontinuierlich in Drehung versetzt. Wenn dieser Flügel mit dem Material in Berührung kommt, wird eine Kraft auf den Flügel ausgeübt, die grösser ist als das Rotationsmoment, und die Drehung wird gestoppt. Der Niveauschalter erkennt den Stillstand der Drehung und gibt ein Signal an das Steuersystem. Ein ausfallsicherer Drehkolben-Füllstandssensor ist eine bekannte Lösung zum Starten oder Stoppen eines kritischen Prozesses in der Getreideindustrie. Die kapazitive Füllstandsmessung ist seit Jahrzehnten eine bewährte Methode zur Messung von Füllständen. Das Schüttgut verursacht am Sensor eine Kapazitätsänderung, die in ein Schaltsignal umgewandelt wird. Bei wechselnden Produkten ist eine neue Kalibrierung notwendig und bei Produkten mit geringer Schüttdichte erfolgt keine Erfassung. Kapazitive Sonden sind auch empfindlich gegenüber Staubablagerungen. Die schwingenden Stäbe werden durch piezokeramische Elemente in Resonanzfrequenz gebracht. Bedeckt das Schüttgut den Sensor, wird die Amplitude gedämpft und es wird eine Meldung ausgegeben. Diese Sonden können in verschiedenen Einbaulagen verwendet werden und sind unabhängiger von den Produkteigenschaften.

Der technologische Fortschritt bei der Entwicklung von Sensoren schreitet voran. Der Trend bei der Füllstandsmessung in Umgebungen mit hohem Staubanteil geht zu berührungslosen Sensoren und insbesondere zur Radar-Abstandsmessung. Radar ist die Abkürzung für «Radio Detection and Ranging», was so viel bedeutet wie «funkbasierte Ortung und Abstandsmessung». Diese Technologie basiert auf elektromagnetischen Wellen. Ein Radargerät sendet eine konzentrierte elektromagnetische Welle aus, die von Objekten als Echo reflektiert und dann vom Gerät nach verschiedenen Kriterien ausgewertet wird. Die Elektronik erzeugt beim Auftreffen der Welle auf die Materialoberfläche einen elektromagnetischen Impuls, ein Teil der Energie wird reflektiert. Dieses sogenannte Echosignal wird von der Elektronik erkannt und mittels einer Laufzeitmessung in eine Füllstandsanzeige umgewandelt. Die Laufzeit ist die Zeitdifferenz zwischen dem gesendeten Impuls und dem empfangenen Echosignal. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im Trägermedium Luft mit der Lichtgeschwindigkeit gleichgesetzt werden kann, lässt sich aus dieser einfachen Beziehung der Abstand zur Medienoberfläche berechnen. Der Füllstand kann in staubigen Umgebungen mit Hilfe der Radartechnologie genau gemessen werden.

Radargestützte Sensorik kann hochpräzise Entfernungsdaten liefern, die für Anwendungen zur präzisen Objekterkennung, Entfernungsmessung und Positionsverfolgung benötigt werden. Bei hohen Aktualisierungsfrequenzen kann eine Auflösung im Millimeterbereich erreicht werden. Bei der Integration der Radartechnologie in intelligente Produktdesigns sind die Produktentwickler jedoch in der Regel gezwungen, zwischen niedrigem Stromverbrauch und hoher Genauigkeit zu wählen. Die Anforderungen an die Genauigkeit steigen auch bei begrenzter Leistung, da diese Technologie bei einem reduzierten Leistungsbudget von Vorteil ist. SWISCA hat eine innovative Lösung zur Abstandsmessung für Fräsanwendungen entwickelt, die die Genauigkeit fortschrittlicher kohärenter Radarmethoden mit dem geringeren Energiebedarf von gepulsten Radarsystemen kombiniert.

Ein geringerer Stromverbrauch wird bei gepulsten Radarsystemen erreicht, wenn der Sender zwischen den Impulsen abgeschaltet wird. Herkömmliche kohärente Radarsysteme senden eine kontinuierliche Folge von Impulsen und nutzen die genauen Phasenmessungen der zurückkehrenden Signale. Dies erfordert eine hohe Leistungsaufnahme und damit verbunden eine höhere Verlustleistung und grössere elektronische Bauteile. Mit seiner Zeitauflösung im Pikosekundenbereich ist der SWISCA-Sensor in der Lage, Entfernungen mit Millimetergenauigkeit über einen Bereich von 100 mm bis zu zwei Metern zu messen und gleichzeitig in Geräten mit geringem Stromverbrauch zu verwenden. Bei Radar-Füllstandsmessgeräten stellt sich immer die Frage nach der Höhe der Frequenzen. Während berührungslose Radarsensoren mit hohen Frequenzen von bis zu 130GHz arbeiten, verwendet die geführte Mikrowellentechnik eine vergleichsweise niedrige Frequenz von 1GHz. Generell lässt sich sagen, dass niedrige Frequenzen deutlich weniger anfällig für prozessbedingte Störungen wie Anhaftungen und Staub sind. Bei der Entwicklung des Radarsensors von SWISCA haben die Produktentwickler auf Robustheit und Zuverlässigkeit in staubigen Umgebungen geachtet und den Frequenzbereich von 60Hz verwendet.

Der Trend zur Prozessoptimierung mit intelligenten Sensoren in der Mühlenindustrie ermöglicht nicht nur neue Anwendungen, sondern unterstützt auch die Müller und verbessert deren operative Exzellenz. Elektronisch erzeugte elektromagnetische Impulse mit genauer Phasenmessung der zurückkommenden Signale eines speziell entwickelten Sensors für die Füllstandsmessung in der Mühlenindustrie heben Ihre Prozesskontrolle auf ein neues Niveau. Dieser Radarsensor der nächsten Generation ist zuverlässig, robust und staubunempfindlich, erfordert keine Nachkalibrierung, erreicht eine höhere Genauigkeit und ist ein grosser Schritt nach vorn bei der Erfüllung der hohen Anforderungen an die Füllstandsmessung in der Mühlenindustrie.