Das Radarfüllstandmessgerät Vegapuls 69 von Vega Grieshaber erfasst selbst kleinste Reflexionssignale

Zucker und Mehl stellen für viele Lebensmittel wichtige Basisstoffe dar und werden dementsprechend in großen Mengen gelagert. Für eine effiziente Produktion ist das Wissen um den Bestand dieser Rohstoffe enorm wichtig. Doch so trivial die beiden Produkte scheinen, die Messung ihrer Füllstände in Silos ist alles andere als einfach. Das Radarmessgerät für Schüttgüter mit der hohen Signalfrequenz von 80 GHz, Vegapuls 69, setzt hier neue Maßstäbe.

Berührungslose Radarmesstechnik

Moderne Messprinzipien wie geführtes oder freistrahlendes Radar eröffnen mittlerweile neue Möglichkeiten für eine zuverlässige Überwachung der Silostände in der Lebensmittelindustrie. Die Radartechnik hat beispielsweise bei der Messung von Milchpulver wesentliche Vorteile. Unabhängig von Staubentwicklung, Lärmentwicklung und Luftturbulenzen liefert der Radarsensor einen zuverlässigen Messwert. Bisher kam es bei anderen Messverfahren, nicht nur bei Milchpulver, sondern auch bei Produkten mit ähnlicher Konsistenz zu Schwierigkeiten, da diese Medien sehr fein sind und damit stark anhaften. Auch die sehr feine Dextrose ist problematisch für berührende Messverfahren, weil sie sich elektrostatisch stark auflädt.

Ganz anders bei der berührungslosen Radarmesstechnik: Durch die sehr gute Fokussierung der Mikrowellen und der Verwendung einer Schwenkhalterung, kann das Messsignal gezielt auf die Produktoberfläche ausgerichtet werden. Schwankungen der Produkteigenschaften, wie Feuchtigkeitsgehalt oder Reifegrad haben keinen Einfluss auf ein sicheres Messergebnis.

Füllstandmessung bei Zucker

Bei vielen Produkten in der Nahrungsmittelindustrie wird allerdings aufgrund der kleinen Dielektrizitätszahl nur ein Bruchteil der Energie an der Füllgutoberfläche reflektiert. Des Weiteren werden viele Produkte, z. B. Mehl, in sehr hohen, schlanken Silos gelagert, um auf einer kompakten Fläche eine hohe Füllmenge zu konzentrieren und eine möglichst große Sortenvielfalt zu bevorraten. Bisher eingesetzte Messprinzipien stoßen dabei oft an ihre physikalischen Grenzen.
Auch Zucker, einer der Basisprodukte für die Nahrungsmittelindustrie, spielt den Anwendern hin und wieder einen Streich. Da Zucker sehr gut fließt und eine fast ebene Oberfläche bildet, wird das Messsignal häufig zur Seite weggespiegelt. Zusätzlich lagert sich der feine Staub auf der Oberfläche ab und verstärkt diesen Effekt noch. Im Experiment lässt sich das sehr gut anhand eines Blechs demonstrieren, bei dem aufgrund der glatten Oberfläche die gesamte Energie zur Seite reflektiert wird. Erst, wenn das Blech mit einem Schleifpapier bearbeitet wird, erhält man ein eindeutiges Signal. Eine ähnliche Situation entsteht bei der Messung von Zucker. Man erhält schlecht detektierbare Signale.
Kommen noch Störsignale, etwa durch umlaufende Schweißnähte in den Silos hinzu, führt dies zu ungenauen Messsignalen. Mit Hilfe von moderner Software und Algorithmen lässt sich dem zwar einiges entgegen setzen, manchmal setzt jedoch die Physik einfach ihre Grenzen.

Höhere Signalfrequenz für bessere Fokussierung

Genau für solche Messungen hat das Schiltacher Unternehmen Vega den Vegapuls 69 entwickelt, der 2015 auf den Markt gekommen ist. Das Füllstandmessgerät arbeitet mit einer Frequenz von 80 GHz. Damit ist eine deutlich höhere Fokussierung des Sendesignals möglich. Vor allem bei schmalen Behältern mit Einbauten hilft die gute Fokussierung, das eigentliche Messsignal von Störsignalen besser zu trennen. Selbst kleinste Reflexionssignale werden sicher erfasst. Die Fokussierung ist das A und O für eine sichere und zuverlässige Messung. Davon profitieren alle Anwendungen, die sehr geringe Reflexionen liefern.

Idealer Einsatzort für das Füllstandmessgerät sind hohe Silos in der Nahrungsmittelindustrie. Dank der hervorragenden Signalbündelung ist selbst eine Messung in einem mehr als 15 m hohen Silo mit einer Grundfläche von 1 m² möglich. Der Vegapuls 69 erfasst sicher die Füllhöhe des Mediums. Dies liegt vor allem am geringen Öffnungswinkel. Der Öffnungswinkel der abgestrahlten Radarenergie und damit auch die Fokussierung hängen von zwei Faktoren ab: der Sendefrequenz und der wirksamen Antennenfläche. Das bedeutet, dass mit einer höheren Frequenz bei gleicher Antennengröße eine deutlich bessere Fokussierung erreicht wird. Der Vegapuls 69 arbeitet mit einer Sendefrequenz von 80 GHz und einer Antennengröße von 75 mm. Dadurch wird ein Öffnungswinkel von nur 3° erreicht.

Zum Vergleich: Bei einem Radarsensor mit 26 GHz Sendefrequenz beträgt der Öffnungswinkel etwa 10° bei gleicher Antennengröße. Dagegen geht der 80 GHz-Strahl an Einbauten oder Anhaftungen der Behälterwand vorbei. Das macht die Messung noch zuverlässiger. Durch die bessere Fokussierung kann außerdem bis in den Abzugstrichter gemessen werden. Dies wiederum verbessert die Siloausnutzung.
Auch bei sehr feinen Medien, wie Zucker, hat die höhere Frequenz Vorteile. Durch die kleinere Wellenlänge der Radarsignale erscheinen die feinen Zuckerkristalle größer und die Signale werden nicht wie bei einem Spiegel zur Seite reflektiert, sondern in alle Richtungen zurückgestrahlt. Dadurch kommt deutlich mehr Energie am Sender an und eine sichere Messung ist möglich.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Lagerung von Gerste in bis zu 20 m hohen Vorratssilos. Hier verbleibt sie, bis sie zu Malz verarbeitet wird. Mit dem Befüllen der Silos geht eine starke Staubentwicklung einher. Die Schüttkegelgeometrie verändert sich durch die Befüllung und Entnahme ständig. Die Füllstandmessung über den Vegapuls 69 sichert den laufenden Betrieb in den Mälzereien und meldet zuverlässig die Füllhöhe oder mögliche Grenzstände des Getreides.

Prozessanschlüsse ideal für den Lebensmittelbereich

Der Vegapuls 69 steht in zwei Ausführungen zur Verfügung. Mit einfacher und leichter Kunststoffantenne aus PP und einer im Flansch integrierten Linsenantenne. Die Antennen sind unempfindlich gegen Ablagerungen. Ein Spülluftanschluss ist optional erhältlich, in den meisten Fällen allerdings nicht nötig. Die Flanschausführung besitzt eine Schwenkhalterung aus hochwertigem Edelstahl, mit der sich die Antenne bequem einstellen lässt, so dass der Sensor optimal in einem Bereich von ±10° ausgerichtet werden kann. Inspiriert von der Wasserwaagen-App haben sich die Vega-Ingenieure etwas Besonderes einfallen lassen. Sie entwickelten eine App, mit der der Neigungswinkel für die Installation des Messgerätes eingestellt werden kann. Dafür wird das Smartphone einfach auf das Gerät gelegt, so dass sich der Sensor schnell und optimal ausrichten lässt.

Zusammenfassung und Ausblick

Neben der besseren Fokussierung und der höheren Dynamik zeichnet sich der Vegapuls 69 zudem durch einen deutlich breiteren Anwendungsbereich aus. Besonders bei Anwendungen, in denen sehr unterschiedliche Medien gelagert werden, bietet die universelle Einsatzmöglichkeit des Sensors wesentliche Vorteile. So werden in der Lebensmittelindustrie die Silozellen oft mit verschiedenen Produkten, die ganz unterschiedliche Reflexionseigenschaften besitzen, befüllt.
Ein typisches Beispiel ist Kleie, die sehr kleine Dielektrizitätszahlen hat. Der Vegapuls 69 misst selbst diese leichten Getreideprodukte und erkennt die unterschiedlichen Produkte zuverlässig. Auch Mehle besitzen häufig unterschiedliche Feuchten. Diese verschiedenen Medien mit einem einzigen Füllstandmessgerät zu messen, war oft eine Herausforderung für die Messtechnik. Der Vegapuls 69 kommt aufgrund seines breiten Anwendungsbereiches auch mit diesen Anforderungen zurecht. Mit einem Messbereich bis zu 120 m und einer Genauigkeit von ±5 mm bietet der Vegapuls 69 zudem genügend Leistungsreserven – selbst in hohen Silos werden saubere Messergebnisse erzielt.

Vega Inventory System

Das Vega Inventory System ist die Rundum-sorglos-Lösung für das automatisierte Bestandsmanagement. Es wurde speziell für die Überwachung von Flüssigkeitstanks und Schüttgutsilos entwickelt. Ganz entscheidend ist dabei das perfekte Zusammenspiel zwischen Messtechnik und Software. Vega ist einer von wenigen Anbietern, der alles aus einer Hand liefern kann – von der Datengewinnung, über die Datenübertragung bis hin zur Datenverarbeitung.

Maßgeschneiderte Dienstleistungspakete erleichtern die tägliche Arbeit und sparen Zeit und Geld. Über das Vega Inventory System kommunizieren die Messgeräte von Tanks und Silos direkt mit dem Lieferanten und melden vollautomatisch Nachschubbedarf an. Dies erhöht die Flexibilität beim eigenen Ressourcen- und Logistikmanagement. Die moderne Software hilft „Out of stock“-Situationen, teure Eilbestellungen sowie Produktionsstillstände zu vermeiden. Durch das automatisierte Bestandsmanagement lässt sich eine wirtschaftliche Produktions- und Vorratsplanung realisieren. Zahlreiche Filter-Funktionen ermöglichen das schnelle Gruppieren, Sortieren und Auflisten der Bedarfe, wahlweise nach Produkttyp, Füllstandstatus, Alarmstufe oder weiteren Faktoren.

Bei Neuanlagen kann das Vega Inventory System mit wenig Aufwand und geringen Kosten von Anfang an in das Prozesssteuerungssystem integriert werden. Bei bestehenden Industrieanlagen lassen sich alle installierten Messgeräte einbinden, unabhängig vom Hersteller und davon, ob der Messwert analog oder digital übertragen wird. Mobile Silos senden ihre Daten einfach über das Mobilfunknetz.

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