Ein TDR-Füllstandmessumformer überwacht den Inhalt eines industriellen Vorratsbehälters. Über mehrere Monate arbeitet die Messstelle zuverlässig. Mit zunehmender Betriebsdauer bildet sich jedoch ein Belag auf der metallischen Messsonde. Zunächst bleibt die Füllstandanzeige plausibel. Später treten einzelne Messwertsprünge auf, bis das Gerät während der Behälterentleerung plötzlich einen nahezu konstanten Füllstand anzeigt.
Bei einer Inspektion wird festgestellt, dass sich an einem Teil der Sonde eine gleichmäßige Produktschicht gebildet hat. In der Nähe eines Behältereinbaus befindet sich außerdem eine größere Produktansammlung, die eine Verbindung zwischen der Sonde und einer metallischen Halterung herstellt.
Welche dieser Anhaftungen verursacht die Messabweichung? Warum arbeitet die Sonde trotz einer gleichmäßigen Beschichtung zunächst weiterhin, während eine örtliche Brückenbildung erhebliche Fehler hervorrufen kann? Und lässt sich der Unterschied aus der Echokurve des Messgeräts erkennen?
Solche Fragestellungen treten in der chemischen Industrie, in Tankanlagen, bei der Verarbeitung viskoser Flüssigkeiten sowie in Silos und Behältern mit anhaftenden Schüttgütern auf.
Die TDR-Füllstandmessung, auch als geführte Mikrowelle oder Guided Wave Radar bezeichnet, arbeitet mit elektromagnetischen Impulsen, die entlang einer metallischen Sonde geführt werden. An Änderungen der elektrischen Eigenschaften entlang des Messwegs entstehen Reflexionen. Aus der Laufzeit des zugeordneten Füllstandechos bestimmt das Gerät den Abstand zur Produktoberfläche.
Da die Sonde unmittelbar mit dem Prozessmedium in Kontakt steht, können Produktanhaftungen ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften verändern. Die Auswirkungen hängen jedoch wesentlich von Form, Verteilung und elektrischen Eigenschaften des Belags ab.
Eine dünne, gleichmäßige Beschichtung entlang der Sonde kann die Ausbreitungsbedingungen verändern und das Nutzsignal dämpfen. Je nach Messsystem, Sondentyp und Medium kann die Füllstandmessung dennoch weiterhin zuverlässig arbeiten.
Eine örtliche Brückenbildung ist anders zu beurteilen. Verbindet eine leitfähige oder stark dielektrisch wirksame Produktansammlung die Sonde mit einem metallischen Einbau, können ausgeprägte Reflexionen oder andere Störungen des Messsignals entstehen. Bei Koaxialsonden ist insbesondere eine Brücke zwischen Innenleiter und Außenrohr problematisch.
Das Messgerät kann dadurch eine falsche Echozuordnung vornehmen, zeitweise den Füllstand nicht mehr erkennen oder abhängig von seiner Parametrierung einen Ersatz- beziehungsweise Fehlerwert ausgeben.
Ein weiteres Problem ist die Unterscheidung zwischen einem realen Füllstandanstieg und einer scheinbaren Füllstandänderung durch wachsende Ablagerungen. Besonders bei langsam entstehenden Belägen kann eine Messwertabweichung lange unbemerkt bleiben.
Dieser Fachbeitrag erklärt die physikalischen Unterschiede zwischen gleichmäßiger Beschichtung, örtlichem Produktbelag und Brückenbildung an TDR-Sonden. Er zeigt, wie sich diese Zustände in der Echokurve äußern können und welche Bedeutung Sondenbauform, Behältergeometrie, Dielektrizitätszahl und Parametrierung besitzen.
Ein ausführliches Rechenbeispiel veranschaulicht, wie eine Produktbrücke einen scheinbar zu hohen Füllstand und ein entsprechend falsches 4-bis-20-mA-Signal verursachen kann. Zusätzlich werden Montage, Reinigung, Störechoausblendung, Diagnose, Alarmierung und geeignete Geräte aus dem ICS-Sortiment behandelt.
Inhaltsverzeichnis
- Messaufgabe und typische Probleme bei Produktanhaftungen
- Funktionsprinzip der TDR-Füllstandmessung
- Gleichmäßige Beschichtung der Sonde richtig beurteilen
- Brückenbildung und örtliche Ablagerungen unterscheiden
- Medium, Dielektrizitätszahl und Belagbildung berücksichtigen
- Stab-, Seil- und Koaxialsonden richtig auswählen
- Behältergeometrie, Stutzen und Einbauten bewerten
- Praxisbeispiel: Produktbrücke, Füllstandfehler und Ausgangssignal berechnen
- Echokurve und Echozuordnung systematisch auswerten
- Signalabschwächung, zusätzliche Reflexionen und Echoverlust
- Produktbelag bei Flüssigkeiten und viskosen Medien
- Anhaftungen und Brückenbildung bei Schüttgütern
- Einfluss von Produktbelag auf die Grenzflächenmessung
- Sondenende, Nahbereich und Totzonen beachten
- Störechoausblendung und automatische Diagnose richtig einsetzen
- Parametrierung, Messbereich und Ausgangssignal kontrollieren
- Sondenreinigung und vorbeugende Wartung
- Messunsicherheit und schleichende Messabweichungen bewerten
- Prozesssicherheit, Überfüllschutz und Explosionsschutz
- Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
- Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
- Passende ICS-Produkte für schwierige Füllstandanwendungen
- Fazit: Produktbelag ist nicht gleich Brückenbildung
- Häufig gestellte Fragen zu TDR-Sonden mit Produktbelag
1. Messaufgabe und typische Probleme bei Produktanhaftungen
Bei der kontinuierlichen Füllstandmessung soll das Messgerät die tatsächliche Lage der Produktoberfläche zuverlässig erfassen.
Die Messung muss dabei auch unter wechselnden Betriebsbedingungen funktionieren. Dazu gehören Befüllung, Entleerung, Temperaturänderungen, Druckschwankungen und gegebenenfalls Veränderungen der Medienzusammensetzung.
Bei produktberührenden TDR-Sonden kommt ein weiterer Einfluss hinzu: Das Prozessmedium kann an der metallischen oder beschichteten Sonde haften bleiben.
1.1 Typische Ursachen für Produktbelag
Beläge können aus unterschiedlichen Gründen entstehen:
- Hohe Viskosität des Prozessmediums.
- Abkühlung und Verfestigung an der Sonde.
- Kristallisation gelöster Bestandteile.
- Antrocknung nach teilweiser Behälterentleerung.
- Ablagerung von Feststoffpartikeln.
- Polymerisation beziehungsweise chemische Reaktionen.
- Anhaftende Schüttgüter oder pulverförmige Produkte.
- Schlamm- und Sedimentbildung.
Welche dieser Ursachen relevant ist, hängt von Medium, Temperatur, Prozessführung und Werkstoffeigenschaften ab.
1.2 Nicht jeder Belag führt sofort zu einem Fehler
Eine gleichmäßige, dünne Produktschicht muss die Füllstandmessung nicht unmittelbar verhindern.
Einige TDR-Systeme besitzen Signalverarbeitungsfunktionen, mit denen bestimmte Auswirkungen von Anhaftungen reduziert werden können.
Bei einer zunehmenden oder ungleichmäßigen Ablagerung können jedoch zusätzliche Reflexionen entstehen und die Signalreserve abnehmen.
1.3 Unterschiedliche Fehlerbilder
Produktanhaftungen können sich beispielsweise äußern durch:
- Langsam zunehmende Messwertabweichungen.
- Instabile Füllstandanzeigen.
- Sprunghafte Wechsel zwischen zwei Füllstandwerten.
- Ein bei der Entleerung stehen bleibendes Füllstandsignal.
- Scheinbare Überfüllung.
- Schwächer werdende Nutz- beziehungsweise Füllstandechos.
- Verlust des gültigen Füllstandechos.
- Diagnosemeldungen oder einen konfigurierten Fehlerausgang.
Keines dieser Fehlerbilder beweist für sich allein, dass ein Produktbelag die Ursache ist.
Auch falsche Parametrierung, Behältereinbauten, geänderte Medienbedingungen oder elektrische Probleme können ähnliche Symptome verursachen.
1.4 Ziel der Diagnose
Die Diagnose soll klären, ob die Sonde lediglich beschichtet ist, ob eine ausgeprägte örtliche Ablagerung vorliegt oder ob eine tatsächliche Brücke zwischen leitfähigen beziehungsweise akustisch oder elektromagnetisch relevanten Strukturen entstanden ist.
Entscheidend sind dazu die Echokurve, der zeitliche Messwertverlauf, die Kenntnis des Prozesses und gegebenenfalls eine sichere physische Inspektion.
2. Funktionsprinzip der TDR-Füllstandmessung
TDR ist die Abkürzung für Time Domain Reflectometry, also Zeitbereichsreflektometrie.
Das Verfahren wird bei der Füllstandmessung auch als geführtes Radar oder geführte Mikrowelle bezeichnet.
2.1 Elektromagnetischer Impuls
Der Messumformer sendet einen elektromagnetischen Impuls entlang einer geeigneten Sonde.
Die Sonde kann beispielsweise als Stab, Seil oder koaxiale Leiteranordnung ausgeführt sein.
Der Impuls wird entlang dieser Struktur geführt.
2.2 Reflexion an der Produktoberfläche
An der Produktoberfläche ändern sich die elektromagnetischen Eigenschaften der Umgebung.
Diese Änderung bewirkt eine Reflexion eines Teils des geführten Signals.
Die Stärke der Reflexion hängt unter anderem von den elektrischen Eigenschaften des Mediums und der Sondenkonfiguration ab.
2.3 Laufzeitmessung
Der Messumformer erfasst die Laufzeit des reflektierten Impulses.
Vereinfacht gilt:
d = veff · t / 2
Dabei bezeichnet:
- d die Entfernung zur reflektierenden Stelle.
- veff die für den betrachteten Messweg wirksame Ausbreitungsgeschwindigkeit.
- t die Hin- und Rücklaufzeit des Signals.
Die tatsächliche Auswertung berücksichtigt Sondenbauform, Referenzpunkt und die gerätespezifische Signalverarbeitung.
2.4 Umrechnung in Füllhöhe
Für eine einfache Behältergeometrie kann der Füllstand aus der bekannten Referenzhöhe und der gemessenen Entfernung bestimmt werden:
h = H – d
H beschreibt dabei den Abstand zwischen dem definierten oberen Referenzpunkt und dem unteren Füllstandbezugspunkt.
Diese Formel setzt eine entsprechend festgelegte Messgeometrie voraus.
2.5 Warum Anhaftungen relevant sind
Die elektromagnetische Welle reagiert nicht ausschließlich auf die eigentliche Produktoberfläche.
Auch andere Änderungen der elektrischen Eigenschaften entlang des Messwegs können Reflexionen oder Dämpfung verursachen.
Dazu gehören eine örtliche Produktansammlung, eine Brücke zu einem metallischen Einbau und Veränderungen in der Umgebung der Sonde.
Die Messaufgabe besteht deshalb darin, das richtige Füllstandecho zuverlässig von anderen Reflexionen zu unterscheiden.
3. Gleichmäßige Beschichtung der Sonde richtig beurteilen
Ein gleichmäßiger Produktbelag liegt vor, wenn ein Abschnitt der Sonde über eine gewisse Länge weitgehend kontinuierlich von einer Produktschicht bedeckt ist.
Die Schicht kann dünn oder dick, trocken oder feucht, elektrisch leitfähig oder nicht leitfähig sein.
3.1 Wirkung einer dünnen Schicht
Eine dünne Schicht kann die elektromagnetischen Eigenschaften der unmittelbaren Sondenumgebung verändern.
Dadurch können die Signalform, die Ausbreitungsbedingungen und die Amplitude des reflektierten Füllstandechos beeinflusst werden.
Eine zusätzliche einzelne starke Reflexion muss dabei nicht zwangsläufig entstehen.
3.2 Gleichmäßige und allmähliche Veränderung
Entsteht ein Belag über einen längeren Zeitraum gleichmäßig, kann sich die Echokurve langsam verändern.
Ein geeignetes Messsystem kann bestimmte solcher Änderungen weiterhin verarbeiten.
Die Größe des verbleibenden Messfehlers hängt jedoch von der Beschichtung, dem Sondentyp und dem Signalverarbeitungsverfahren ab.
3.3 Elektrisch leitfähige Beschichtung
Eine elektrisch leitfähige Schicht kann das elektromagnetische Feld entlang der Sonde stärker beeinflussen als eine dünne Schicht mit niedriger Dielektrizitätszahl.
Die tatsächliche Wirkung hängt von der Leitfähigkeit, Schichtdicke, Kontinuität und den vorhandenen Verbindungen zu anderen leitfähigen Strukturen ab.
Eine leitfähige Beschichtung ist deshalb nicht automatisch unproblematisch.
3.4 Nicht leitfähige Beschichtung
Auch eine nicht leitfähige Schicht kann die Messung beeinflussen.
Sie kann beispielsweise die lokale effektive Permittivität verändern und dadurch die Wellenausbreitung beeinflussen.
Der Grad der Abweichung hängt von den konkreten Materialeigenschaften und der Geometrie ab.
3.5 Kritische Übergänge
Besonders wichtig können die Stellen sein, an denen eine Beschichtung beginnt oder endet beziehungsweise ihre Dicke plötzlich wechselt.
Dort entstehen stärkere Änderungen der elektrischen Umgebung als bei einer weitgehend kontinuierlichen Schicht.
Solche Übergänge können zusätzliche Reflexionen verursachen.
3.6 Keine pauschale Belagtoleranz
Es gibt keine allgemeine, für alle TDR-Sonden gültige Schichtdicke, bis zu der jeder Belag garantiert ohne Messfehler bleibt.
Die Eignung muss anhand des konkreten Produkts, der Sondenbauform, der Herstellerangaben und der tatsächlichen Belagbildung beurteilt werden.
4. Brückenbildung und örtliche Ablagerungen unterscheiden
Von Brückenbildung wird gesprochen, wenn eine Produktansammlung eine Verbindung zwischen normalerweise getrennten Bereichen herstellt.
Bei TDR-Sonden sind insbesondere Brücken zwischen Sonde und metallischer Behälterwand, zwischen Sonde und Einbauten sowie zwischen Innenleiter und Außenrohr einer Koaxialsonde relevant.
4.1 Brücke zur Behälterwand
Eine Stab- oder Seilsonde kann sich in der Nähe einer metallischen Behälterwand oder eines Einbaus befinden.
Bildet ein anhaftendes Produkt an dieser Stelle eine zusammenhängende Brücke, verändern sich die elektromagnetischen Bedingungen lokal stark.
Dadurch kann ein ausgeprägtes Störecho entstehen.
4.2 Brücke an einer Koaxialsonde
Eine Koaxialsonde besitzt einen Innenleiter und eine umgebende äußere Leiterstruktur.
Zwischen beiden befindet sich der für die Wellenausbreitung vorgesehene Bereich.
Sammelt sich in diesem Bereich ein anhaftendes Produkt an und bildet eine Brücke, kann die Ausbreitung erheblich beeinflusst werden.
Besonders bei elektrisch leitfähigen Medien kann dies problematisch sein.
4.3 Örtlich konzentrierte Beläge
Auch ohne vollständige Verbindung zu einer Behälterwand kann eine dicke örtliche Produktansammlung eine ausgeprägte Störstelle darstellen.
Die schlagartige Änderung der elektrischen Eigenschaften kann einen zusätzlichen Echoimpuls erzeugen.
4.4 Warum ein zu hoher Füllstand angezeigt werden kann
Befindet sich die örtliche Produktansammlung oberhalb der tatsächlichen Produktoberfläche, kann die dort entstehende Reflexion früher beim Messumformer eintreffen als das echte Füllstandecho.
Wird diese Reflexion fälschlich als Produktoberfläche interpretiert, berechnet das Gerät einen zu kurzen Abstand und damit einen zu hohen Füllstand.
Dies ist ein mögliches Fehlerbild, aber keine allgemeingültige Reaktion aller TDR-Geräte.
4.5 Weitere mögliche Reaktionen
Abhängig von der Signalverarbeitung kann eine Brückenbildung auch zu schwächerem Nutzsignal, Messwertsprung, Echoverlust oder einem konfigurierten Fehlerzustand führen.
Ein bestimmter Füllstandfehler lässt sich daher nicht allein aus der geometrischen Position einer Brücke vorhersagen.
| Belagform | Typische Geometrie | Mögliche Messwirkung | Diagnoseansatz |
|---|---|---|---|
| Dünne, gleichmäßige Beschichtung | Weitgehend kontinuierlicher Film entlang der Sonde | Veränderte Signalform, Laufzeit oder Signalreserve; Messung kann weiter funktionieren | Echokurve und Signalqualität im Zeitverlauf vergleichen |
| Dicke, gleichmäßige Beschichtung | Größere Schichtdicke über längeren Sondenabschnitt | Stärkere Dämpfung oder veränderte elektromagnetische Ausbreitung | Medieneigenschaften und herstellerseitige Belagtoleranz prüfen |
| Örtliche Produktansammlung | Begrenzter Bereich mit stark verändertem Querschnitt | Zusätzliches Echo oder veränderte Echozuordnung | Reflexionsposition mit Behältergeometrie vergleichen |
| Brücke zur Behälterwand | Produkt verbindet Sonde mit metallischer Wand | Stark veränderte elektrische Umgebung, Störecho oder Signalverlust möglich | Einbauabstände, Echoposition und Belagbildung überprüfen |
| Brücke an einer Koaxialsonde | Produkt verbindet Innenleiter und Außenrohr | Erhebliche Störung der Wellenausbreitung und falsche Füllstandwerte möglich | Koaxialzwischenraum und Produktanhaftung beurteilen |
| Belag am Sondenende | Anhaftung oder Ablagerung an Spitze beziehungsweise Endgewicht | Verändertes Sondenendecho und beeinträchtigte Enderkennung möglich | Sondenlänge, Endecho und unteren Messbereich prüfen |
| Belag am Prozessanschluss | Produktansammlung im Stutzen oder Nahbereich | Starkes Nahbereichsecho oder verringerte Signalreserve | Stutzengeometrie, Nahbereich und Störechoausblendung prüfen |
Die Tabelle zeigt typische Einflussrichtungen, keine allgemeingültige Zuordnung zwischen Belagform und einem festen Messfehler.
Die tatsächliche Reaktion muss am konkreten Messsystem untersucht werden.
5. Medium, Dielektrizitätszahl und Belagbildung berücksichtigen
Die elektrischen Eigenschaften des Mediums spielen eine wesentliche Rolle für die Entstehung und Stärke von Reflexionen.
5.1 Relative Permittivität
Die relative Permittivität, häufig als Dielektrizitätszahl εr bezeichnet, beschreibt eine wichtige elektrische Eigenschaft des Mediums.
Ein Unterschied zwischen der elektrischen Umgebung oberhalb der Produktoberfläche und dem Produkt führt zur Entstehung eines reflektierten Signals.
5.2 Niedrige Dielektrizitätszahl
Bei Medien mit niedriger Dielektrizitätszahl kann das Füllstandecho vergleichsweise schwach sein.
Zusätzliche Ablagerungen und Störreflexionen können dann besonders relevant werden.
Die geeignete Mindestdielektrizitätszahl hängt von der konkreten Sonden- und Geräteausführung ab.
5.3 Hohe Dielektrizitätszahl
Medien mit höherer Dielektrizitätszahl können unter geeigneten Bedingungen ausgeprägte Reflexionen erzeugen.
Dies kann die Füllstanderkennung erleichtern.
Allerdings können entsprechende Anhaftungen oberhalb des tatsächlichen Füllstands ebenfalls starke lokale Reflexionen verursachen.
5.4 Elektrische Leitfähigkeit
Bei leitfähigen Medien ist eine Brückenbildung besonders kritisch zu bewerten, wenn leitfähige Bereiche der Sonden- und Behälterkonstruktion miteinander verbunden werden.
Der genaue Einfluss hängt von der elektrischen Leitfähigkeit, dem Belagquerschnitt und der Geometrie ab.
5.5 Viskosität und Fließverhalten
Hochviskose Medien können nach der Entleerung an der Sonde haften bleiben.
Ob der Belag gleichmäßig abläuft oder sich an bestimmten Stellen ansammelt, hängt von Viskosität, Oberflächenbenetzung, Temperatur und Sondenform ab.
5.6 Kristallisation und Verfestigung
Bei kristallisierenden oder erstarrenden Medien können sich dauerhafte Schichten bilden.
Besonders an geometrischen Übergängen, Halterungen oder Sondenabständen können ausgeprägte Produktansammlungen entstehen.
Diese Bereiche sollten bereits bei der Auswahl der Sondenbauform berücksichtigt werden.
6. Stab-, Seil- und Koaxialsonden richtig auswählen
Die Bauform einer TDR-Sonde beeinflusst sowohl die akustisch nicht relevante, aber elektromagnetisch entscheidende Feldgeometrie als auch die mechanische Neigung zu Produktanhaftungen.
Stab-, Seil- und Koaxialsonden besitzen unterschiedliche Stärken und Grenzen.
6.1 Stabsonden
Stabsonden bestehen aus einem relativ starren, meist metallischen Leiter.
Sie werden häufig in Flüssigkeitsbehältern und kleineren Messbereichen eingesetzt.
Durch ihre vergleichsweise einfache äußere Geometrie können sie für bestimmte anhaftende Medien günstiger sein als eng gebaute Koaxialsonden.
Die Stabsonde muss jedoch ausreichenden Abstand zu Behältereinbauten besitzen.
6.2 Seilsonden
Seilsonden bestehen aus einem flexiblen metallischen Messleiter.
Sie eignen sich besonders für größere Messlängen und entsprechende Schüttgut- oder Flüssigkeitsanwendungen.
Bei bewegten Medien, Schüttgütern und Rührwerken müssen mögliche Auslenkungen und Zugbelastungen berücksichtigt werden.
Ein ausreichend großer Abstand zu metallischen Behälterteilen ist wichtig, damit durch Produktanhaftungen oder mechanische Bewegung keine unzulässigen Kontaktbedingungen entstehen.
6.3 Koaxialsonden
Koaxialsonden führen das elektromagnetische Feld zwischen einem Innenleiter und einem umgebenden Außenleiter.
Dadurch kann die Messung unter bestimmten Einbaubedingungen weniger empfindlich gegenüber benachbarten Behältereinbauten sein.
Der enge Zwischenraum zwischen Innen- und Außenleiter kann bei stark anhaftenden Medien jedoch ein Nachteil sein.
Produktansammlungen können diesen Bereich teilweise oder vollständig überbrücken.
6.4 Geeignete Sondenbeschichtungen
Für bestimmte aggressive oder anhaftende Medien sind geeignete beschichtete Sonden verfügbar.
Eine Beschichtung kann die chemische Beständigkeit verbessern und unter Umständen die Anhaftung reduzieren.
Sie garantiert jedoch keine vollständige Vermeidung von Produktbelägen.
Die Freigabe muss sich auf die konkrete Sondenbauform und das jeweilige Medium beziehen.
6.5 Entscheidung nach Belagneigung
Wenn eine starke Produktbelagbildung zu erwarten ist, sollten die Sondenbauform und die mögliche Brückenbildung bereits vor der Bestellung bewertet werden.
In bestimmten Fällen kann eine einzelne Stab- oder Seilsonde gegenüber einer Koaxialsonde günstiger sein.
Die endgültige Auswahl hängt außerdem von Messlänge, Behältergeometrie, Dielektrizitätszahl und Prozessbedingungen ab.
7. Behältergeometrie, Stutzen und Einbauten bewerten
Die Behältergeometrie kann die Entstehung und Wirkung von Produktanhaftungen erheblich beeinflussen.
7.1 Abstand zur Behälterwand
Bei einer Stab- oder Seilsonde muss der notwendige Abstand zu metallischen Wänden und Einbauten eingehalten werden.
Ein zu geringer Abstand kann zusätzliche Reflexionen begünstigen und das Risiko einer Produktbrücke erhöhen.
Die erforderlichen Mindestabstände sind geräte- und anwendungsabhängig.
7.2 Einbauten
Leitern, Rohrleitungen, Verstrebungen, Rührwerke und andere Behältereinbauten können sich in der Nähe der Sonde befinden.
Sie können das elektromagnetische Feld beeinflussen und bei anhaftenden Produkten als Ausgangspunkt einer Brückenbildung wirken.
7.3 Einfüllstrom
Ein Sensor sollte nicht ohne Prüfung unmittelbar in einen Bereich mit starkem Produkteintrag montiert werden.
Einfüllströme können die Sonde mechanisch belasten und örtliche Produktanhaftungen begünstigen.
7.4 Montagestutzen
Bei der Montage durch einen Behälterstutzen sind dessen Höhe, Durchmesser und die Sondenposition zu berücksichtigen.
Ungünstige Stutzengeometrien können zu zusätzlichen Signaleinflüssen im Nahbereich führen.
Produktablagerungen im Stutzen können diese Einflüsse verstärken.
7.5 Zentrierung und Abstützung
Bei bestimmten Sondenlängen oder Behältergeometrien können Zentrier- oder Abstützelemente erforderlich sein.
Solche Bauteile müssen zur jeweiligen Sondenausführung passen.
Gleichzeitig ist zu prüfen, ob sich daran Produkt ansammeln und eine problematische Brücke bilden kann.
7.6 Bewegliche Sonden
Eine Seilsonde kann durch Strömung, Rührwerke oder Schüttgutbewegungen ausgelenkt werden.
Die Montage muss verhindern, dass unzulässige Kontakte zu Behälterwänden oder Einbauten entstehen.
Eine nachträgliche mechanische Fixierung ist nur zulässig, wenn sie für die konkrete Sonde freigegeben ist.
8. Praxisbeispiel: Produktbrücke, Füllstandfehler und Ausgangssignal berechnen
Ein industrieller Flüssigkeitsbehälter wird mit einer TDR-Stabsonde überwacht.
Während einer Entleerung bildet sich oberhalb der tatsächlichen Produktoberfläche eine örtliche Produktbrücke zwischen Sonde und einem metallischen Einbau.
Im folgenden vereinfachten Beispiel wird angenommen, dass die dadurch entstehende Reflexion vom Messgerät fälschlich als Füllstandecho ausgewertet wird.
Es soll berechnet werden, wie sich dies auf die angezeigte Füllhöhe und das analoge Ausgangssignal auswirkt.
8.1 Ausgangsdaten und Annahmen
Für die Berechnung werden ausdrücklich frei gewählte Werte verwendet:
- Messbereich: 0 bis 4,00 m Füllhöhe.
- Oberer Messreferenzpunkt: 4,00 m über dem unteren Bezugspunkt.
- Tatsächlicher Füllstand: 1,40 m.
- Örtliche Produktbrücke: 1,80 m unter dem oberen Referenzpunkt.
- Auswertung des Messgeräts: Die Brückenreflexion wird im Fehlerfall als gültiges Füllstandecho ausgewählt.
- Analogausgang: 4 bis 20 mA.
- Skalierung: 4 mA bei 0 m und 20 mA bei 4,00 m Füllhöhe.
- Linearer Zusammenhang zwischen berechnetem Füllstand und Ausgangsstrom.
- Keine zusätzliche Volumenlinearisierung.
Diese Werte beschreiben einen hypothetischen Fehlerfall und keine zugesicherte Reaktion einer bestimmten SITRANS-LG-Ausführung.
8.2 Tatsächliche Entfernung zur Produktoberfläche
Der obere Referenzpunkt liegt 4,00 m über dem unteren Füllstandbezugspunkt.
Der tatsächliche Füllstand beträgt 1,40 m.
Damit ergibt sich die Entfernung:
dtatsächlich = H – htatsächlich
dtatsächlich = 4,00 m – 1,40 m
dtatsächlich = 2,60 m
8.3 Entfernung zur Produktbrücke
Die Produktbrücke befindet sich nach den gewählten Annahmen 1,80 m unterhalb des oberen Messreferenzpunkts.
dBrücke = 1,80 m
Sie liegt damit oberhalb der tatsächlichen Produktoberfläche.
8.4 Falsch berechneten Füllstand bestimmen
Wird das Echo der Produktbrücke irrtümlich als Produktoberfläche ausgewertet, ergibt sich:
hangezeigt = H – dBrücke
hangezeigt = 4,00 m – 1,80 m
hangezeigt = 2,20 m
Das Gerät würde in diesem vereinfachten Fehlerfall einen Füllstand von 2,20 m anzeigen.
8.5 Absolute Füllstandabweichung
Die Differenz zwischen angezeigtem und tatsächlichem Füllstand beträgt:
Δh = hangezeigt – htatsächlich
Δh = 2,20 m – 1,40 m
Δh = +0,80 m
Die Füllstandanzeige liegt damit 0,80 m beziehungsweise 800 mm über dem tatsächlichen Wert.
8.6 Relative Abweichung bezogen auf den Messbereich
Für den betrachteten Messbereich von 4,00 m ergibt sich:
εMB = Δh / H · 100 %
εMB = 0,80 m / 4,00 m · 100 %
εMB = +20 %
Die Füllstandabweichung entspricht 20 % der konfigurierten Messspanne.
Dies ist eine relative Abweichung des Rechenbeispiels und keine produktspezifische Genauigkeitsangabe.
8.7 Richtiges analoges Ausgangssignal
Für die lineare Skalierung von 0 bis 4,00 m auf 4 bis 20 mA gilt:
I = 4 mA + 16 mA · h / H
Beim tatsächlichen Füllstand von 1,40 m:
Irichtig = 4 mA + 16 mA · 1,40 / 4,00
Irichtig = 9,60 mA
8.8 Falsches analoges Ausgangssignal
Beim falsch ermittelten Füllstand von 2,20 m ergibt sich:
Ifalsch = 4 mA + 16 mA · 2,20 / 4,00
Ifalsch = 12,80 mA
Die Abweichung des Stromsignals beträgt:
ΔI = 12,80 mA – 9,60 mA
ΔI = +3,20 mA
Eine falsche Echozuordnung kann somit zu einem elektrisch vollkommen plausibel erscheinenden Analogsignal führen.
Der Empfänger der 4-bis-20-mA-Schleife erkennt aus dem Stromwert allein nicht zwangsläufig, dass der zugrunde liegende Füllstand falsch bestimmt wurde.
| Größe | Tatsächliche Produktoberfläche | Fälschlich ausgewertete Produktbrücke |
|---|---|---|
| Messreferenzhöhe | 4,00 m | 4,00 m |
| Entfernung vom oberen Referenzpunkt | 2,60 m | 1,80 m |
| Berechnete Füllhöhe | 1,40 m | 2,20 m |
| Füllstand in Prozent der Messspanne | 35 % | 55 % |
| Ausgangssignal bei 4 bis 20 mA | 9,60 mA | 12,80 mA |
| Absolute Füllstandabweichung | Referenz | +0,80 m |
| Relative Abweichung bezogen auf Messspanne | Referenz | +20 % |
| Unterschied im Stromsignal | Referenz | +3,20 mA |
| Ursache | Reflexion an der echten Produktoberfläche | Reflexion an einer örtlichen Produktansammlung wird falsch zugeordnet |
8.9 Fehlerverhalten während der Entleerung
Wenn die Produktbrücke an derselben Position bestehen bleibt und das Gerät weiterhin deren Echo auswählt, kann der angezeigte Füllstand nahezu konstant bleiben.
Der tatsächliche Füllstand sinkt dagegen weiter.
Im Messwerttrend kann sich dadurch ein auffälliges Plateau bilden.
Ein solches Plateau ist ein möglicher Hinweis auf eine feste Störreflexion, beweist aber nicht allein eine Brückenbildung.
8.10 Fehler nach dem Entfernen des Belags
Wird die Brücke sicher entfernt und das tatsächliche Füllstandecho wieder korrekt ausgewertet, kann der angezeigte Wert auf den realen Füllstand zurückspringen.
Die Größe eines solchen Sprungs hängt von der dann vorliegenden tatsächlichen Füllhöhe ab.
Das Ereignis sollte dokumentiert und bei Bedarf anhand einer unabhängigen Füllstandreferenz überprüft werden.
8.11 Grenzen des Rechenbeispiels
Das Beispiel setzt ausdrücklich voraus, dass das Gerät die Brückenreflexion als gültiges Füllstandecho auswählt.
Ein reales TDR-Gerät kann je nach Signalverarbeitung, Störechoausblendung und Fehlereinstellungen anders reagieren.
Es kann beispielsweise das eigentliche Füllstandecho weiterhin erkennen, einen Echoverlust melden oder einen Ersatzwert ausgeben.
Das Rechenbeispiel veranschaulicht daher einen möglichen Fehlermechanismus und nicht das garantierte Verhalten jedes TDR-Messgeräts.
9. Echokurve und Echozuordnung systematisch auswerten
Die Echokurve gehört zu den wichtigsten Diagnoseinformationen bei einer TDR-Füllstandmessung.
Sie zeigt die vom Messsystem erfassten Reflexionen entlang des betrachteten Messbereichs.
9.1 Echo der Produktoberfläche
Das eigentliche Füllstandecho entsteht an der elektromagnetisch wirksamen Grenze zwischen der Umgebung oberhalb der Produktoberfläche und dem Medium.
Die Position des Echos steht mit der Entfernung zur Produktoberfläche in Zusammenhang.
9.2 Echos von Behältereinbauten
Einbauten, Prozessanschlüsse oder andere geometrische und elektrische Unstetigkeiten können zusätzliche Reflexionen verursachen.
Bestimmte Störechos können bereits bei der Inbetriebnahme vorhanden sein.
9.3 Neu entstandenes Echo
Bildet sich eine örtliche Produktansammlung, kann die Echokurve ein zusätzliches Signal an einer zuvor unauffälligen Position zeigen.
Besonders aussagekräftig ist der Vergleich mit einer früheren Echokurve bei bekannter Prozesssituation.
9.4 Gleichmäßige Beschichtung
Eine weitgehend gleichmäßige Beschichtung kann die Signalform und die Ausbreitungsbedingungen verändern, ohne zwingend ein einzelnes dominantes Störecho zu erzeugen.
Die Interpretation muss deshalb nicht nur die Anzahl, sondern auch die Amplitude und zeitliche Entwicklung der Echos berücksichtigen.
9.5 Füllstandecho und Störecho unterscheiden
Ein echtes Füllstandecho folgt bei veränderlichem Füllstand im Regelfall der tatsächlichen Produktoberfläche.
Eine feste Produktbrücke an unveränderter Position kann dagegen ein stationäres Störecho erzeugen.
Der Vergleich zwischen Füllstandänderung und Echoposition ist deshalb ein wichtiger Diagnoseansatz.
9.6 Echokurve allein nicht überinterpretieren
Nicht jede neue Reflexion ist eine Produktbrücke.
Auch Änderungen der Medienzusammensetzung, des Behälterzustands oder der Parametrierung können die Echokurve beeinflussen.
Die Diagnose muss daher mit den tatsächlichen Prozessinformationen abgeglichen werden.
10. Signalabschwächung, zusätzliche Reflexionen und Echoverlust
Produktbeläge können unterschiedliche elektrische Auswirkungen auf die TDR-Messung besitzen.
Die wichtigsten Phänomene sind Signalabschwächung, zusätzliche Reflexionen und der Verlust einer eindeutigen Echozuordnung.
10.1 Signalabschwächung
Durch eine veränderte elektromagnetische Umgebung oder verlustbehaftete Materialien kann die Signalstärke abnehmen.
Ein schwächeres Füllstandecho ist insbesondere dann kritisch, wenn bereits geringe Signalreserven vorhanden sind.
10.2 Zusätzliche Reflexion
Eine lokale Veränderung der elektrischen Eigenschaften kann eine zusätzliche Reflexion erzeugen.
Dies kann beispielsweise an einer ausgeprägten Produktansammlung oder Brückenbildung auftreten.
10.3 Überlagerung mehrerer Echos
Liegen verschiedene Reflexionsstellen nahe beieinander, können ihre Signale in der Auswertung miteinander wechselwirken.
Dadurch kann die eindeutige Zuordnung des tatsächlichen Füllstandechos erschwert werden.
10.4 Echoverlust
Unter ungünstigen Bedingungen kann das eigentliche Füllstandecho nicht mehr ausreichend erkannt werden.
Das Messgerät reagiert dann entsprechend seinen Diagnose- und Fehlereinstellungen.
Ein gültiger Füllstand darf nicht allein deshalb angenommen werden, weil weiterhin ein numerischer Wert angezeigt wird.
10.5 Veränderliche Beläge
Wächst eine Produktansammlung oder löst sie sich teilweise, kann sich die Störreflexion zeitlich verändern.
Dies kann sprunghafte Messwertänderungen verursachen.
10.6 Bewertung mit Prozessdaten
Ein auffälliger Messwertverlauf sollte mit Befüll- und Entleerungsvorgängen, Pumpenstatus, Temperaturen und gegebenenfalls anderen Füllstandinformationen verglichen werden.
Ein Messwertsprung ohne entsprechende Prozessänderung ist ein Hinweis auf einen zu untersuchenden Mess- oder Signalzustand.
11. Produktbelag bei Flüssigkeiten und viskosen Medien
Bei Flüssigkeitsanwendungen hängt die Art der Ablagerung insbesondere von Viskosität, Benetzung, Temperatur und chemischen Eigenschaften ab.
11.1 Dünne Flüssigkeitsfilme
Nach einer Entleerung kann ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Sonde zurückbleiben.
Ob dieser Film die Messung beeinflusst, hängt von seinen elektrischen Eigenschaften und der Sondenbauform ab.
11.2 Hochviskose Flüssigkeiten
Hochviskose Medien können dickere Schichten bilden, die nur langsam ablaufen.
An Halterungen und geometrischen Übergängen kann es zu größeren Produktansammlungen kommen.
11.3 Kristallisierende Flüssigkeiten
Bei kristallisierenden Medien können Ablagerungen mit zunehmender Betriebsdauer anwachsen.
Solche Beläge können sowohl die Signalqualität als auch den mechanischen Zustand der Sonde beeinträchtigen.
11.4 Temperaturabhängigkeit
Ändert sich die Temperatur, können sich Viskosität und Haftverhalten erheblich verändern.
Ein Medium, das im heißen Zustand gut abläuft, kann bei Abkühlung eine feste Schicht bilden.
11.5 Reinigung im laufenden Prozess
Ob eine Reinigung bei weiterlaufendem Betrieb möglich ist, hängt von der Behälter- und Anlagenkonstruktion ab.
Ein Verfahren darf nur verwendet werden, wenn es für den Prozess und die eingesetzten Komponenten freigegeben ist.
11.6 Hygiene und Reinigbarkeit
In Lebensmittel- und Pharmaanwendungen spielen zusätzlich die Reinigbarkeit, die hygienische Ausführung des Prozessanschlusses und die Verträglichkeit mit Reinigungsmedien eine Rolle.
Die tatsächliche Eignung muss für die konkrete Geräteausführung nachgewiesen werden.
12. Anhaftungen und Brückenbildung bei Schüttgütern
Auch in Schüttgutbehältern können sich Produktbeläge an TDR-Sonden bilden.
Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften unterscheiden sich häufig deutlich von denen flüssiger Medien.
12.1 Pulverförmige Produkte
Feine Pulver können sich an Oberflächen ablagern.
Elektrostatische Effekte, Feuchtigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit können das Anhaften beeinflussen.
12.2 Feuchte Schüttgüter
Feuchte Produkte können stärker zusammenhaften und ausgeprägte Ablagerungen bilden.
Insbesondere in der Nähe von Halterungen kann die Bildung größerer Produktansammlungen relevant sein.
12.3 Mechanische Belastung
Während der Befüllung und Entleerung können Schüttgüter erhebliche Kräfte auf eine Seil- oder Stabsonde ausüben.
Die mechanische Eignung muss deshalb unabhängig von der elektrischen Messfunktion geprüft werden.
12.4 Schüttkegel
Die Oberfläche eines Schüttguts kann ungleichmäßig sein.
Eine Messung entlang einer Sonde repräsentiert den Füllstand an der jeweiligen Messposition.
Dieser muss nicht identisch mit einer über den gesamten Behälter gemittelten Füllhöhe sein.
12.5 Schüttgutbrücken
Mechanische Brückenbildung im Schüttgut kann mit lokalen Anhaftungen an der Sonde verbunden sein.
Solche Zustände sollten nicht allein aus der TDR-Füllstandanzeige diagnostiziert werden.
Bei kritischen Anwendungen können ergänzende Prozessinformationen oder weitere Messverfahren sinnvoll sein.
12.6 Geeignete Gerätekonfiguration
Für Schüttgutanwendungen müssen Sondenlänge, Zugbelastung, Werkstoffe, Medium und Einbaugeometrie zusammen betrachtet werden.
Die Siemens-Baureihe SITRANS LG260 ist insbesondere für die Füllstandmessung von Schüttgütern vorgesehen.
13. Einfluss von Produktbelag auf die Grenzflächenmessung
TDR-Messgeräte können in geeigneten Ausführungen neben dem Gesamtfüllstand auch die Grenzfläche zweier Flüssigkeiten bestimmen.
Produktbeläge können diese Aufgabe zusätzlich erschweren.
13.1 Zwei Flüssigkeitsschichten
Bei einer Flüssig-Flüssig-Grenzflächenmessung befinden sich zwei Medien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften im Behälter.
Die Auswertung muss die Reflexion an der oberen Produktoberfläche und die für das Verfahren relevante Grenzflächenreflexion unterscheiden.
13.2 Unterschiedliche Dielektrizitätszahlen
Für eine geeignete Grenzflächenmessung müssen die elektrischen Eigenschaften der beiden Medien zum jeweiligen Messverfahren passen.
Die erforderlichen Unterschiede und Randbedingungen sind gerätespezifisch.
13.3 Belag aus einem der Medien
Bleibt beispielsweise eine Schicht des oberen oder unteren Mediums an der Sonde haften, können zusätzliche elektrische Übergänge entstehen.
Die Wirkung hängt von Belagform, Schichtdicke und Dielektrizitätszahl ab.
13.4 Emulsionsschichten
Zwischen zwei Flüssigkeiten kann sich eine Emulsionsschicht bilden.
Eine solche Schicht ist nicht zwangsläufig eine klar definierte elektrische Grenzfläche.
Die Messbarkeit hängt vom gewählten Geräteprinzip und den Eigenschaften der Emulsion ab.
13.5 Brückenbildung bei Koaxialsonden
Bei Anwendungen mit stark anhaftenden Medien können Koaxialsonden besonders kritisch sein, wenn sich Produkt zwischen Innen- und Außenleiter ansammelt.
Für die Auswahl ist deshalb auch das zu erwartende Reinigungs- und Belagverhalten entscheidend.
13.6 Separate Grenzflächenkontrolle
Bei anspruchsvollen Anwendungen kann eine zusätzliche unabhängige Grenzflächenmessung oder eine geeignete Prozesskontrolle sinnvoll sein.
Weitere Auswahlkriterien werden im Fachbeitrag Grenzflächenmessung Öl und Wasser: geführte Mikrowelle und Schwimmer richtig auswählen behandelt.
14. Sondenende, Nahbereich und Totzonen beachten
Die geometrischen Grenzen einer TDR-Sonde und die gerätespezifischen Messbereiche müssen bei der Installation berücksichtigt werden.
14.1 Oberer Messbereich
In der Nähe des Prozessanschlusses können geräte- und sondenabhängige Einschränkungen bestehen.
Zusätzliche Ablagerungen in diesem Bereich können die Signalauswertung erschweren.
14.2 Unterer Messbereich
Auch am Sondenende können besondere Signalbedingungen auftreten.
Die tatsächliche Messbarkeit bis in den unteren Bereich hängt von der Sonden- und Gerätekonfiguration ab.
14.3 Sondenendecho
Am Ende einer Sonde kann eine charakteristische Reflexion auftreten.
Einige TDR-Systeme nutzen Informationen des Sondenendes für zusätzliche Auswertefunktionen.
14.4 Sondenende-Erkennung
Die Siemens-Baureihe SITRANS LG bietet in geeigneten Konfigurationen eine Funktion zur Sondenende-Erkennung beziehungsweise zum Probe-End-Tracking.
Diese Funktion kann unter bestimmten Bedingungen bei schwachem Füllstandecho helfen.
Sie ist jedoch kein universeller Ersatz für ein gültiges Füllstandecho bei beliebiger Verschmutzung.
14.5 Belag am Sondenende
Wenn sich am Sondenende größere Produktmengen ansammeln, kann sich die dortige Reflexion verändern.
Das kann die Bewertung des unteren Messbereichs und die Enderkennung beeinflussen.
14.6 Richtige Sondenlänge
Die Sonde muss zur vorgesehenen Messhöhe und zur Behältergeometrie passen.
Eine nachträgliche Kürzung oder Veränderung ist nur nach den Herstellerangaben zulässig.
Nach einer Veränderung müssen die relevanten Parametrier- und Prüfmaßnahmen durchgeführt werden.
15. Störechoausblendung und automatische Diagnose richtig einsetzen
Moderne TDR-Messumformer besitzen Funktionen, mit denen bestimmte unerwünschte Reflexionen erkannt oder bei der Auswertung berücksichtigt werden können.
Die genaue Funktion hängt vom Gerät und seiner Softwareausführung ab.
15.1 Was ist eine Störechoausblendung?
Bei der Störechoausblendung werden bekannte unerwünschte Reflexionsstellen erfasst und bei der weiteren Auswertung berücksichtigt.
Damit können beispielsweise bestimmte Störungen durch Einbauten oder stabile Anhaftungen reduziert werden.
15.2 Automatische Funktionen
Die Siemens-SITRANS-LG-Baureihe bietet Funktionen zur automatischen Störsignalausblendung.
Damit soll unter anderem die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Materialanhaftungen reduziert werden.
Dies ist jedoch kein Nachweis, dass jede Art von Brückenbildung ohne Messfehler bleibt.
15.3 Neue Beläge verändern die Echokurve
Wenn nach der ursprünglichen Inbetriebnahme zusätzliche Ablagerungen entstehen, kann sich die Lage oder Stärke von Störechos ändern.
Eine früher gespeicherte Ausblendung kann dann möglicherweise nicht mehr zur tatsächlichen Situation passen.
15.4 Sichere Aktualisierung
Eine neue beziehungsweise angepasste Störechoausblendung darf nur unter den vom Hersteller vorgesehenen Bedingungen erfolgen.
Der tatsächliche Füllstand und die Lage des gültigen Füllstandechos müssen dabei berücksichtigt werden.
Andernfalls besteht die Gefahr, dass ein echtes Nutzsignal fälschlich ausgeblendet wird.
15.5 Keine verdeckte Fehlerbeseitigung
Die Ausblendung eines Störechos beseitigt nicht die physische Produktanhaftung.
Bei weiter wachsender Brückenbildung können neue oder stärkere Messprobleme entstehen.
Eine Softwarekorrektur ersetzt deshalb nicht zwangsläufig die Reinigung oder eine verbesserte Sondenkonstruktion.
15.6 Diagnosehistorie
Für wiederkehrende Probleme sollten ursprüngliche und aktuelle Echokurven sowie die jeweiligen Geräteparameter dokumentiert werden.
Dadurch lässt sich erkennen, ob sich ein Störecho allmählich verändert oder nach einem bestimmten Prozessereignis neu entstanden ist.
16. Parametrierung, Messbereich und Ausgangssignal kontrollieren
Eine korrekte Parametrierung ist Voraussetzung für die zuverlässige Füllstandmessung.
Besonders bei der Fehlersuche müssen Messbereichsfehler von echten Signalproblemen unterschieden werden.
16.1 Behälterhöhe und Referenzpunkte
Der obere und untere Bezugspunkt müssen eindeutig festgelegt sein.
Die im Gerät eingestellten Entfernungs- und Füllstandwerte müssen zur tatsächlichen Geometrie passen.
16.2 Sondenlänge
Die eingegebene beziehungsweise gespeicherte Sondenlänge muss der montierten Sonde entsprechen.
Nach einer Veränderung der Sonde ist eine entsprechende Überprüfung erforderlich.
16.3 Medienauswahl
Die Parametrierung muss die vorgesehene Anwendung und die relevanten elektrischen Eigenschaften des Mediums berücksichtigen.
Bei wechselnden Produkten können unterschiedliche Einstellungen erforderlich sein.
16.4 Ausgangsskalierung
Bei einer 4-bis-20-mA-Ausgabe muss bekannt sein, welcher Füllstand 4 mA beziehungsweise 20 mA entspricht.
Ein fehlerhaft skaliertes Stromsignal kann auch bei korrekter Laufzeitmessung zu falschen Werten in der SPS führen.
16.5 Verhalten bei Echoverlust
Das Geräteverhalten bei fehlendem gültigem Füllstandecho muss entsprechend der Prozessanforderung festgelegt werden.
Je nach Gerät und Parametrierung können Fehlersignal, Ersatzwert oder weitere definierte Reaktionen vorgesehen sein.
Ein gehaltener letzter Messwert ist nicht automatisch ein aktueller gültiger Füllstand.
16.6 Grenzwerte und Alarmierung
Alarmgrenzen sollten auf die tatsächlichen Prozess- und Sicherheitsanforderungen abgestimmt sein.
Diagnosemeldungen über eine gestörte Füllstandmessung müssen dabei von normalen Prozessgrenzwerten unterschieden werden.
17. Sondenreinigung und vorbeugende Wartung
Wenn Produktanhaftungen die Messung beeinträchtigen, kann eine Reinigung der Sonde notwendig sein.
Die Reinigungsmethode muss jedoch zur Sonde, zum Prozess und zu den eingesetzten Werkstoffen passen.
17.1 Zustand vor der Reinigung dokumentieren
Vor einem Eingriff sollten die verfügbaren Diagnoseinformationen gesichert werden.
Dazu gehören insbesondere Messwertverlauf, Echokurve, Gerätestatus und die aktuelle Parametrierung.
17.2 Belagform erfassen
Wenn eine sichere Inspektion möglich ist, sollte dokumentiert werden, ob ein gleichmäßiger Film, eine örtliche Produktansammlung oder eine Brückenbildung vorliegt.
Die Position des Belags ist für die spätere Beurteilung besonders hilfreich.
17.3 Chemische Reinigung
Für bestimmte Produkte können geeignete Reinigungsmedien verwendet werden.
Ihre Verträglichkeit mit Sondenwerkstoff, Dichtung und gegebenenfalls vorhandener Beschichtung muss geprüft werden.
17.4 Mechanische Reinigung
Mechanische Reinigungsverfahren dürfen die Sonde nicht beschädigen oder ihre Geometrie unzulässig verändern.
Insbesondere beschichtete Sonden können durch ungeeignete Werkzeuge beschädigt werden.
17.5 Reinigung an Koaxialsonden
Bei Koaxialsonden muss gegebenenfalls auch der Zwischenraum zwischen Innenleiter und Außenstruktur berücksichtigt werden.
Die Zugänglichkeit und Freigabe der Reinigungsmethode hängen von der Konstruktion ab.
17.6 Nachkontrolle
Nach einer Reinigung müssen die erforderlichen Funktionsprüfungen durchgeführt werden.
Der Vergleich von Echokurve und Messwert vor und nach der Reinigung kann Hinweise auf die ursprüngliche Fehlerursache liefern.
17.7 Wartungsintervalle
Geeignete Reinigungs- und Kontrollintervalle sollten aus der tatsächlichen Produktbelagbildung und den Anforderungen der Anlage abgeleitet werden.
Bei wiederkehrenden Problemen ist auch die grundsätzliche Eignung der Sondenbauform zu hinterfragen.
18. Messunsicherheit und schleichende Messabweichungen bewerten
Die Messunsicherheit einer TDR-Füllstandmessung hängt nicht allein von der Genauigkeitsangabe des Herstellers ab.
Bei Produktanhaftungen können zusätzliche systematische und zeitabhängige Einflüsse auftreten.
18.1 Gerätespezifikation
Die spezifizierte Messgenauigkeit gilt für die jeweils angegebenen Betriebs- und Einbaubedingungen.
Die SITRANS-LG-Baureihe wird mit Genauigkeitsangaben ab ±2 mm in geeigneten Ausführungen beschrieben.
Diese Werte dürfen nicht pauschal als garantierte Genauigkeit bei beliebig starken Belägen verstanden werden.
18.2 Sonden- und Einbaugeometrie
Ungünstige Abstände zu Einbauten oder Veränderungen der Sonde können zusätzliche Messabweichungen verursachen.
18.3 Veränderungen der Wellenausbreitung
Eine Beschichtung kann die elektromagnetischen Bedingungen entlang der Sonde beeinflussen.
Wie stark sich dies auf die Laufzeitmessung auswirkt, hängt von Sondenform und Belageigenschaften ab.
18.4 Falsche Echozuordnung
Wird ein Störecho als gültiges Füllstandecho interpretiert, kann eine große systematische Abweichung entstehen.
Diese Abweichung muss nicht innerhalb der regulären Genauigkeitsklasse des Geräts liegen.
18.5 Schleichende Veränderungen
Langsam wachsende Ablagerungen können schrittweise zu veränderten Signaleigenschaften führen.
Eine regelmäßige Bewertung der Diagnoseinformationen kann helfen, solche Veränderungen frühzeitig zu erkennen.
18.6 Vergleich mit unabhängiger Referenz
Bei kritischen Anwendungen kann eine geeignete unabhängige Füllstandmessung oder ein anderes freigegebenes Prüfverfahren sinnvoll sein.
Die Unsicherheit und Betriebsbedingungen der Referenz müssen berücksichtigt werden.
18.7 Gesamtbewertung
Für eine belastbare Bewertung sind Gerätespezifikation, Montage, Medium und tatsächlicher Zustand der Sonde gemeinsam zu betrachten.
Eine stabile Anzeige allein beweist nicht, dass der Füllstand richtig gemessen wird.
19. Prozesssicherheit, Überfüllschutz und Explosionsschutz
Eine fehlerhafte Füllstandmessung kann erhebliche Auswirkungen auf den Betrieb einer Anlage haben.
Besonders kritisch sind Anwendungen, bei denen die Messwerte für Befüllung, Entleerung oder Schutzfunktionen verwendet werden.
19.1 Falsche Füllstandanzeige
Ein scheinbar zu hoher Füllstand kann zu einer unnötigen Abschaltung oder Unterbrechung der Befüllung führen.
Ein scheinbar zu niedriger Füllstand kann dagegen unter bestimmten Bedingungen eine gefährliche Überfüllung begünstigen.
19.2 Fehlerreaktion des Messgeräts
Der Zustand bei ungültigem Messsignal muss eindeutig definiert sein.
Die gewählte Reaktion muss zu den Anforderungen der Prozessautomatisierung passen.
19.3 Überfüllsicherung
Ein gewöhnlicher kontinuierlicher Füllstandmesswert ersetzt nicht automatisch eine unabhängig erforderliche Überfüllsicherung.
Je nach Anwendung können zusätzliche Grenzstandmessgeräte oder andere Schutzmaßnahmen erforderlich sein.
19.4 Explosionsgefährdete Bereiche
In explosionsgefährdeten Bereichen muss die konkrete Messgeräteausführung für die entsprechenden Einsatzbedingungen zugelassen sein.
Die erforderlichen Zündschutzarten, elektrischen Grenzwerte und Installationsanforderungen müssen berücksichtigt werden.
19.5 Druck und Temperatur
Prozessanschluss, Sonde und Dichtungen müssen für die tatsächlichen Druck- und Temperaturbedingungen geeignet sein.
Die allgemeinen Grenzwerte einer Produktfamilie dürfen nicht auf jede individuelle Konfiguration übertragen werden.
19.6 Sichere Wartung
Eine Sonde darf nicht ohne geeignetes und freigegebenes Anlagenverfahren aus einem druckbeaufschlagten, heißen oder gefährlichen Behälter entfernt werden.
Die erforderliche Trennung vom Prozess und die sichere Herstellung des Wartungszustands sind vor dem Eingriff sicherzustellen.
19.7 Sicherheitsbezogene Funktionen
Wenn die Füllstandmessung Bestandteil einer sicherheitsgerichteten Funktion ist, muss deren Eignung für die vollständige Sicherheitskette bewertet werden.
Eine Störechoausblendung oder ein stabiler Messwert allein sind kein Nachweis für die erforderliche funktionale Sicherheit.
20. Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
Bei einer TDR-Füllstandmessung mit bekannter Belagneigung empfiehlt sich ein systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf.
Der Ablauf sollte die mechanische Installation, die Messparametrierung und die spätere Zustandsüberwachung berücksichtigen.
- Messaufgabe definieren: Medium, Füllstandbereich und erforderliche Genauigkeit festlegen.
- Belagneigung bewerten: Viskosität, Kristallisation, Leitfähigkeit und mögliche Ablagerungen berücksichtigen.
- Sondenbauform auswählen: Stab-, Seil- oder Koaxialsonde entsprechend den Prozessbedingungen festlegen.
- Behältergeometrie prüfen: Einbauten, Behälterwand, Stutzen und mechanische Belastungen bewerten.
- Mindestabstände kontrollieren: Die erforderlichen Abstände nach Herstellerangaben prüfen.
- Prozessanschluss festlegen: Druck, Temperatur, Dichtung und Werkstoffverträglichkeit berücksichtigen.
- Sondenlänge überprüfen: Messbereich und Sondenende korrekt zuordnen.
- Mechanische Montage kontrollieren: Ausrichtung, Befestigung und mögliche Kontakte zu Einbauten überprüfen.
- Elektrischen Anschluss prüfen: Versorgung, Signalübertragung und gegebenenfalls Ex-Anforderungen kontrollieren.
- Messbereich parametrieren: Referenzpunkte, Füllstandzuordnung und Ausgangsskalierung korrekt einstellen.
- Mediumparameter prüfen: Die vorgesehenen elektrischen Eigenschaften beziehungsweise Anwendungseinstellungen kontrollieren.
- Ausgangssignal verifizieren: Skalierung und Verarbeitung im Leitsystem prüfen.
- Echokurve erfassen: Unter bekannten und geeigneten Prozessbedingungen eine Ausgangsreferenz dokumentieren.
- Störechos beurteilen: Vorhandene Reflexionen anhand der Behältergeometrie prüfen.
- Störechoausblendung einstellen: Nur entsprechend den Herstellervorgaben und unter geeigneten Bedingungen durchführen.
- Füllstand plausibilisieren: Messwert mit bekannten Prozesszuständen oder einer geeigneten unabhängigen Referenz vergleichen.
- Füllstandänderung prüfen: Bei freigegebenem Betrieb das Verhalten während Befüllung und Entleerung kontrollieren.
- Diagnosefunktionen prüfen: Verfügbare Echo- und Gerätestatusinformationen bewerten.
- Fehlerreaktion überprüfen: Das vorgesehene Verhalten bei Echoverlust oder Gerätefehler entsprechend dem Sicherheitskonzept prüfen.
- Alarmgrenzen kontrollieren: Prozessgrenzwerte und Diagnosemeldungen eindeutig unterscheiden.
- Wartungskonzept festlegen: Kontroll- und Reinigungsintervalle nach der zu erwartenden Belagbildung bestimmen.
- Ausgangszustand dokumentieren: Gerätedaten, Echokurve, Parameter und Prüfbedingungen sichern.
Bei später auftretenden Auffälligkeiten können die dokumentierten Ausgangswerte mit dem aktuellen Zustand verglichen werden.
21. Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
Bei einer gestörten TDR-Messung sollte die Diagnose systematisch erfolgen.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen tatsächlicher Produktanhaftung, veränderten Medienbedingungen und fehlerhafter Echoauswertung.
| Fehlerbild | Mögliche Ursache | Geeignete Diagnose |
|---|---|---|
| Füllstandanzeige bleibt während der Entleerung stehen | Festes Störecho durch Produktbrücke oder ungültig gewordene Echozuordnung | Echokurve und tatsächlichen Füllstandverlauf vergleichen |
| Füllstand springt plötzlich nach oben | Örtliche Anhaftung wird als Produktoberfläche ausgewertet | Neue Reflexionsposition und mögliche Brückenbildung untersuchen |
| Füllstand springt nach unten | Füllstandecho verloren oder auf anderes Echo umgeschaltet | Echozuordnung, Signalreserve und Gerätefehlerstatus prüfen |
| Messwert verändert sich über Wochen langsam | Zunehmender gleichmäßiger Belag oder veränderte Prozesseigenschaften | Aktuelle Echokurve mit früheren Messungen vergleichen |
| Starkes zusätzliches Echo an fester Position | Lokale Produktansammlung oder Behältereinbau | Echoentfernung mit Behälterzeichnung und Einbausituation abgleichen |
| Füllstandecho zunehmend schwach | Signalabschwächung durch Belag, Medium oder andere Messbedingungen | Signalqualität und relevante Prozessänderungen prüfen |
| Koaxialsonde funktioniert nach längerer Betriebszeit schlechter | Produktansammlung oder Brückenbildung zwischen Innen- und Außenleiter | Koaxialzwischenraum bei sicherem Wartungszustand prüfen |
| Messwert nahe dem Sondenende unplausibel | Verändertes Endecho, Produktbelag oder unpassende Parametrierung | Sondenende, Sondenlänge und unteren Messbereich prüfen |
| Fehler tritt nach Produktwechsel auf | Andere Dielektrizitätszahl, Leitfähigkeit oder Belagneigung | Medieneigenschaften und Geräteparameter überprüfen |
| Nach Reinigung arbeitet die Sonde wieder plausibel | Produktanhaftung als mögliche Ursache | Vorherige und neue Echokurve sowie Referenzmessung vergleichen |
| Nach neuer Störechoausblendung verschwindet das Nutzsignal | Gültiges Füllstandecho möglicherweise unzulässig ausgeblendet | Ausblendung und Inbetriebnahmezustand nach Herstellerverfahren überprüfen |
| Anzeige bleibt trotz Diagnosefehler konstant | Konfigurierter Ersatzwert oder Halten des letzten Wertes | Gerätestatus und Fehlerausgangsparameter prüfen |
Die aufgeführten Ursachen sind mögliche Diagnoseerklärungen und keine eindeutigen Fehlernachweise.
Eine sicherheitsrelevante Füllstandabweichung muss entsprechend dem freigegebenen Anlagenverfahren beurteilt werden.
22. Passende ICS-Produkte für schwierige Füllstandanwendungen
ICS Schneider Messtechnik bietet verschiedene Systeme für die kontinuierliche Füllstandmessung an.
Bei Anwendungen mit Produktbelag ist besonders wichtig, das Messprinzip und die konkrete Sondenbauform auf die Medien- und Behälterbedingungen abzustimmen.
22.1 Siemens SITRANS LG – Geführte Mikrowelle für Füllstand- und Grenzflächenmessung
Die Siemens SITRANS LG Baureihe arbeitet nach dem Prinzip der geführten Mikrowelle beziehungsweise TDR.
Sie ist für die kontinuierliche Messung von Füllstand, Grenzflächen und Volumen in geeigneten Flüssigkeits- und Schüttgutanwendungen vorgesehen.
Zur Baureihe gehören:
- SITRANS LG240 für hygienische Anwendungen.
- SITRANS LG250 für flexible Flüssigkeits- und Grenzflächenmessungen.
- SITRANS LG260 für Schüttgutanwendungen.
- SITRANS LG270 für besonders anspruchsvolle Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften der Produktfamilie gehören:
- Geführtes Mikrowellenmessprinzip.
- Messlängen von 0,3 bis 75 m innerhalb der entsprechenden Varianten.
- Genauigkeitsangaben ab ±2 mm.
- Prozesstemperaturen innerhalb der Baureihe von -196 bis +450 °C.
- Prozessdrücke innerhalb der Baureihe von -1 bis 400 bar.
- Verschiedene Stab-, Seil- und Koaxialsondenausführungen je nach Gerät und Anwendung.
- Erweiterte Diagnosemöglichkeiten.
- Automatische Störsignalausblendung zur Reduzierung bestimmter Einflüsse durch Materialanhaftungen.
- Sondenende-Erkennung für geeignete Messbedingungen.
- Verschiedene Kommunikationsoptionen, unter anderem 4 bis 20 mA/HART.
Die genannten Maximalwerte beschreiben die verfügbare Produktfamilie und sind nicht in jeder Ausführung gleichzeitig erreichbar.
Bei einer Anwendung mit Produktbelag sollte besonders geprüft werden, ob eine Stab-, Seil- oder Koaxialsonde die günstigste Konstruktion darstellt.
Eine automatische Störsignalausblendung kann bei bestimmten Anhaftungen hilfreich sein, garantiert jedoch keine fehlerfreie Messung bei ausgeprägter Brückenbildung.
Für stark anhaftende Medien sind deshalb die erwartete Belagbildung, die Behältergeometrie und die Reinigbarkeit der Sonde bereits bei der Auswahl entscheidend.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS LG bei ICS Schneider Messtechnik
22.2 Siemens SITRANS LG250 – Flüssigkeits- und Grenzflächenmessung
Der Siemens SITRANS LG250 gehört zur SITRANS-LG-Produktfamilie und ist für die kontinuierliche Füllstand- und geeignete Grenzflächenmessung von Flüssigkeiten vorgesehen.
Abhängig von der Ausführung stehen unterschiedliche Sonden- und Prozessanschlussvarianten zur Verfügung.
Besonders relevant sind:
- Die tatsächlichen elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit.
- Das zu erwartende Belagverhalten.
- Die geeignete Sondenbauform.
- Die erforderliche Messlänge.
- Vorhandene Behältereinbauten.
- Die Konfiguration von Echobewertung und Störsignalausblendung.
Bei viskosen oder kristallisierenden Medien sollte insbesondere untersucht werden, ob eine Koaxialsonde durch Ablagerungen im Zwischenraum beeinträchtigt werden könnte.
Die konkrete Konfiguration ist anhand der Siemens-Dokumentation festzulegen.
Weitere Informationen: SITRANS LG250 innerhalb der SITRANS-LG-Baureihe
22.3 Siemens SITRANS LG260 – Füllstandmessung von Schüttgütern
Der Siemens SITRANS LG260 ist für entsprechende Schüttgutanwendungen konzipiert.
Er nutzt das Messprinzip der geführten Mikrowelle und ist innerhalb der SITRANS-LG-Familie für typische Füllstandaufgaben in Schüttgutbehältern vorgesehen.
Bei der Auswahl sind insbesondere relevant:
- Schüttgutart und Dielektrizitätszahl.
- Messlänge.
- Mechanische Zug- und Seitenbelastung.
- Produktanhaftungen.
- Schüttkegel und Befüllverhalten.
- Behältereinbauten und erforderliche Sondenabstände.
Bei feuchten, stark anhaftenden Schüttgütern muss die zu erwartende Belagbildung besonders sorgfältig berücksichtigt werden.
Auch mechanische Produktbrücken und Bewegungen der Sonde dürfen nicht außer Acht gelassen werden.
Weitere Informationen: SITRANS LG260 innerhalb der SITRANS-LG-Baureihe
22.4 Siemens SITRANS LC300 – Kapazitive Füllstandmessung als Alternative
Der Siemens SITRANS LC300 ist ein kapazitiver Füllstandmessumformer mit Inverse-Frequency-Shift-Technologie.
Er ist für die kontinuierliche Füllstandmessung geeigneter Flüssigkeiten und Schüttgüter sowie für bestimmte Grenzflächenanwendungen vorgesehen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Kapazitives Messprinzip.
- Active-Shield-Technologie.
- PFA-beschichtete Sondenoptionen.
- Stabsonden bis 5,5 m.
- Seilsonden bis 25 m.
- Prozesstemperaturbereich innerhalb geeigneter Varianten von -40 bis +200 °C.
- Maximaler Prozessdruck bis 35 bar relativ in geeigneten Ausführungen.
- Zweileiter-Stromausgang 4 bis 20 mA.
Die Active-Shield-Technologie ist insbesondere dafür vorgesehen, Einflüsse von Materialanhaftungen im entsprechenden Bereich nahe dem Behälterstutzen zu reduzieren.
Das bedeutet nicht, dass jeder kapazitive Sensor bei beliebigen Produktbelägen störungsfrei misst.
Der LC300 kann jedoch eine Alternative sein, wenn das kapazitive Messprinzip besser zu Medium und Behältergeometrie passt.
Seine Eignung muss anwendungsbezogen geprüft werden.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS LC300 bei ICS Schneider Messtechnik
22.5 Siemens SITRANS LR510 – Berührungslose Radarmessung für Flüssigkeiten
Der Siemens SITRANS LR510 ist ein berührungsloser Radar-Füllstandmessumformer für Flüssigkeiten und geeignete Schlämme.
Er gehört zur SITRANS-LR500-Serie und verwendet eine Linsenantenne mit Gewindeanschluss.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Berührungsloses Radarmessprinzip mit 80 GHz.
- Messbereiche bis 30 m für die beschriebene LR510-Ausführung.
- HART-7-Kommunikation.
- Grafische lokale Bedienoberfläche mit Echoprofilanzeige.
- Parametrierung über HMI, Bluetooth beziehungsweise SIMATIC PDM je nach Ausstattung.
- Diagnosefunktionen zur Zustandsüberwachung.
- Automatische Störechoausblendung für geeignete Anwendungen.
Bei stark anhaftenden Medien kann ein berührungsloses Messprinzip interessant sein, weil keine TDR-Sonde in das Produkt hineinragt.
Allerdings können auch an einer Radarantenne Kondensat und Produktbeläge entstehen.
Zusätzlich müssen Behältergeometrie, Schaum, Einbauten und Medienbedingungen zur gewählten Antenne passen.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS LR510 bei ICS Schneider Messtechnik
22.6 Siemens SITRANS LR530 – Radar mit gekapselter PTFE-Antenne
Der Siemens SITRANS LR530 ist ein berührungsloser Radar-Füllstandmessumformer mit gekapselter Antenne und PTFE-Ausführung für geeignete Flüssigkeiten und Schlämme.
Er ist besonders dann interessant, wenn eine berührungslose Messung mit einer anwendungsgeeigneten Antennenkonstruktion benötigt wird.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- 80-GHz-Radartechnologie.
- Gekapselte Antennenkonstruktion.
- Geeignete Ausführungen mit PTFE-Prozesskontaktfläche.
- Grafische Echoprofilanzeige.
- HART-7-Kommunikation.
- Erweiterte Diagnosemöglichkeiten.
- Konfigurationsabhängige Prozessanschlüsse und Betriebsgrenzen.
Der LR530 kann eine Alternative zu einer produktberührenden TDR-Sonde darstellen, wenn eine geführte Messung aufgrund starker Anhaftungen ungünstig ist.
Auch bei einer berührungslosen Lösung müssen jedoch die tatsächliche Medienverträglichkeit und die Neigung zu Ablagerungen an der Antenne berücksichtigt werden.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS LR530 bei ICS Schneider Messtechnik
22.7 Auswahl einer geeigneten Füllstandmesslösung
Für eine technische Anfrage sollten mindestens folgende Informationen bekannt sein:
- Art des Mediums und dessen Zusammensetzung.
- Dielektrizitätszahl beziehungsweise relevante elektrische Eigenschaften.
- Viskosität und Belagneigung.
- Möglichkeit von Kristallisation oder Verfestigung.
- Maximale und minimale Prozesstemperatur.
- Prozessdruck.
- Behälterhöhe und benötigter Messbereich.
- Behälterdurchmesser und Einbaustutzen.
- Vorhandene Einbauten und Rührwerke.
- Erforderliche Sondenbauform.
- Mechanische Belastung der Sonde.
- Vorhandene Reinigungsverfahren.
- Erforderliche Messgenauigkeit.
- Ausgangssignale und Kommunikationsschnittstellen.
- Erforderliche Diagnose- und Alarmfunktionen.
- Gegebenenfalls notwendige Ex- und Sicherheitszulassungen.
- Anforderungen an Kalibrierung, Wartung und Dokumentation.
Auf dieser Grundlage kann bewertet werden, ob eine TDR-Sonde geeignet ist und welche Bauform die geringste Anfälligkeit gegenüber der zu erwartenden Belagbildung besitzt.
Bei besonders kritischen Produktanhaftungen sollte auch die Eignung alternativer berührungsloser oder kapazitiver Messverfahren geprüft werden.
Zur Füllstandmesstechnik bei ICS Schneider Messtechnik
23. Fazit: Produktbelag ist nicht gleich Brückenbildung
Die geführte Mikrowelle beziehungsweise TDR gehört zu den bewährten Messprinzipien für die kontinuierliche Füllstandmessung in industriellen Behältern.
Ihre besondere Stärke ist die geführte elektromagnetische Ausbreitung entlang einer definierten Sonde.
Dadurch können je nach Anwendung zuverlässige Füllstandmessungen auch unter anspruchsvollen Behälter- und Prozessbedingungen realisiert werden.
Allerdings steht die Messsonde unmittelbar mit dem Medium in Kontakt.
Bei anhaftenden, viskosen, kristallisierenden oder pulverförmigen Produkten können deshalb Beläge entstehen.
Entscheidend ist die Unterscheidung zwischen einer weitgehend gleichmäßigen Beschichtung und einer örtlichen Produktansammlung beziehungsweise Brückenbildung.
Eine dünne, gleichmäßige Beschichtung kann die elektromagnetischen Eigenschaften entlang der Sonde verändern, ohne zwingend einen vollständigen Messausfall zu verursachen.
Je nach Sondentyp, Medium und Signalverarbeitung kann das Gerät die Produktoberfläche weiterhin zuverlässig erkennen.
Eine ausgeprägte örtliche Produktansammlung kann dagegen eine zusätzliche Reflexion erzeugen.
Besonders problematisch sind Brücken zwischen einer Stab- oder Seilsonde und einer metallischen Behälterstruktur sowie Produktansammlungen zwischen Innen- und Außenleiter einer Koaxialsonde.
Solche Zustände können dazu führen, dass das Messgerät ein Störecho fälschlich als Produktoberfläche interpretiert.
Das Rechenbeispiel zeigt, dass dadurch auch bei unverändertem tatsächlichem Füllstand erhebliche Abweichungen entstehen können.
Eine falsch ausgewertete Reflexion an einer Produktbrücke kann beispielsweise einen scheinbar zu hohen Füllstand und ein entsprechend verändertes 4-bis-20-mA-Signal verursachen.
Das Fehlerverhalten hängt jedoch vom jeweiligen Gerät ab. Eine Brückenbildung führt nicht bei jedem Messgerät automatisch zum gleichen Anzeigewert.
Für die Diagnose sind deshalb die Echokurve, der zeitliche Messwertverlauf und die tatsächlichen Prozessbedingungen gemeinsam zu betrachten.
Insbesondere ist zu prüfen, ob zusätzliche Echos an festen Positionen entstehen, ob das Füllstandecho schwächer wird oder ob die Signalzuordnung zwischen unterschiedlichen Reflexionen wechselt.
Automatische Störechoausblendungen und moderne Diagnosefunktionen können die Messung unterstützen.
Sie ersetzen jedoch keine geeignete Sonden- und Behälterkonstruktion.
Bei stark anhaftenden Medien müssen insbesondere die Sondenbauform, die Abstände zu metallischen Einbauten, die Reinigbarkeit und die langfristige Belagentwicklung berücksichtigt werden.
Für bestimmte Anwendungen kann eine Stab- oder Seilsonde günstiger sein als eine Koaxialsonde. Bei besonders problematischen Anhaftungen kann auch ein alternatives berührungsloses Messprinzip sinnvoll sein.
Eine zuverlässige Messstelle beginnt deshalb bereits bei der technischen Geräteauswahl und nicht erst bei der späteren Parametrierung.
Die entscheidende Erkenntnis lautet: Nicht die bloße Anwesenheit eines Produktbelags entscheidet über die Messsicherheit einer TDR-Sonde, sondern seine elektrischen Eigenschaften, seine Verteilung entlang der Sonde und insbesondere die mögliche Bildung ausgeprägter örtlicher Brücken. Nur wenn diese Einflüsse gemeinsam mit Sondenbauform, Echodiagnose und Behältergeometrie betrachtet werden, lässt sich eine dauerhaft belastbare Füllstandmessung erreichen.
24. Häufig gestellte Fragen zu TDR-Sonden mit Produktbelag
24.1 Was ist eine TDR-Füllstandsonde?
Eine TDR-Füllstandsonde arbeitet nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie beziehungsweise geführten Mikrowelle. Ein elektromagnetischer Impuls wird entlang einer metallischen Sonde geführt. An der Produktoberfläche entsteht aufgrund der veränderten elektrischen Eigenschaften eine Reflexion. Aus der Laufzeit des Signals bestimmt das Messgerät den Abstand zur Oberfläche und daraus den Füllstand.
24.2 Beeinflusst Produktbelag die TDR-Füllstandmessung?
Ja, Produktbelag kann die Messung beeinflussen. Die tatsächliche Wirkung hängt jedoch von Belagdicke, Materialeigenschaften, Verteilung und Sondenbauform ab. Eine dünne gleichmäßige Schicht muss die Messung nicht zwingend verhindern. Ausgeprägte örtliche Ablagerungen und Brückenbildungen können dagegen erhebliche Störreflexionen verursachen.
24.3 Was ist der Unterschied zwischen gleichmäßiger Beschichtung und Brückenbildung?
Bei einer gleichmäßigen Beschichtung liegt eine weitgehend kontinuierliche Produktschicht auf der Sonde. Eine Brückenbildung stellt dagegen eine örtliche Verbindung zwischen zuvor getrennten Bereichen her, beispielsweise zwischen Sonde und Behälterwand oder zwischen den Leitern einer Koaxialsonde. Solche Brücken können die elektromagnetische Messgeometrie besonders stark verändern.
24.4 Kann eine gleichmäßig beschichtete TDR-Sonde weiterhin korrekt messen?
Ja, das ist unter geeigneten Bedingungen möglich. Bestimmte TDR-Systeme besitzen Funktionen zur Reduzierung von Störeinflüssen durch Materialanhaftungen. Die tatsächliche Messfähigkeit hängt jedoch von der elektrischen Beschaffenheit und Dicke des Belags sowie der gewählten Sondenausführung ab. Eine pauschale Garantie für beliebige Beschichtungen besteht nicht.
24.5 Warum kann eine Produktbrücke einen zu hohen Füllstand anzeigen?
Wenn sich oberhalb der tatsächlichen Produktoberfläche eine ausgeprägte Produktbrücke bildet, kann dort eine zusätzliche Reflexion entstehen. Wird diese Reflexion irrtümlich als Füllstandecho ausgewertet, berechnet das Gerät eine zu kurze Entfernung und damit einen zu hohen Füllstand. Das tatsächliche Verhalten hängt von der Signalverarbeitung des Messgeräts ab.
24.6 Kann Brückenbildung auch einen zu niedrigen Füllstand verursachen?
Ja, indirekt ist das möglich. Eine Brücke kann das eigentliche Füllstandecho abschwächen oder die Echozuordnung stören. Je nach Gerät und Fehlerstrategie kann dies zu einem anderen Messwert, einem Ersatzwert oder einem Fehlerzustand führen. Die Richtung der Abweichung lässt sich deshalb nicht allgemein vorhersagen.
24.7 Warum sind Koaxialsonden bei stark anhaftenden Medien problematisch?
Koaxialsonden besitzen einen Innenleiter und eine umgebende äußere Leiterstruktur. Der Zwischenraum kann bei stark anhaftenden Produkten teilweise oder vollständig mit Material überbrückt werden. Dadurch kann die elektromagnetische Wellenausbreitung erheblich gestört werden. Für solche Anwendungen sollte geprüft werden, ob eine andere Sondenbauform besser geeignet ist.
24.8 Ist eine Stabsonde besser als eine Koaxialsonde bei Produktbelag?
Eine einzelne Stabsonde kann bei bestimmten stark anhaftenden Medien vorteilhaft sein, weil kein enger Zwischenraum zwischen Innen- und Außenleiter überbrückt werden kann. Allerdings benötigt sie geeignete Abstände zu metallischen Behältereinbauten. Die richtige Auswahl hängt zusätzlich von Medium, Messlänge, Dielektrizitätszahl und Behältergeometrie ab.
24.9 Kann eine Seilsonde durch Produktbelag falsch messen?
Ja. Produktanhaftungen können die elektrischen Eigenschaften entlang der Seilsonde verändern. Größere örtliche Ansammlungen oder Kontakte zu metallischen Behälterteilen können zusätzliche Störungen verursachen. Bei Schüttgütern müssen außerdem die mechanische Belastung und mögliche Auslenkung der Sonde berücksichtigt werden.
24.10 Wie erkennt man eine Produktbrücke in der Echokurve?
Eine Produktbrücke kann als zusätzliche Reflexion an einer festen Position erscheinen. Besonders auffällig ist es, wenn diese Reflexion bestehen bleibt, während sich der tatsächliche Füllstand verändert. Der Vergleich mit einer früheren Echokurve und der Behältergeometrie kann bei der Diagnose helfen. Eine einzelne Reflexion ist jedoch kein eindeutiger Nachweis einer Brückenbildung.
24.11 Warum bleibt die Füllstandanzeige während der Entleerung stehen?
Eine mögliche Ursache ist, dass das Gerät statt des tatsächlichen Füllstandechos ein festes Störecho auswertet. Dies kann beispielsweise durch Produktanhaftungen oder Brückenbildung entstehen. Ebenso können jedoch Parametrierung, Echoverlust oder ein konfigurierter Haltewert die Ursache sein. Gerätestatus und Echokurve sollten deshalb überprüft werden.
24.12 Können TDR-Messgeräte Produktanhaftungen automatisch kompensieren?
Einige TDR-Messgeräte verfügen über automatische Auswerte- und Störechoausblendungsfunktionen. Die Siemens-SITRANS-LG-Baureihe bietet entsprechende Funktionen zur Verringerung bestimmter Störeinflüsse durch Materialanhaftungen. Solche Funktionen können die Messung verbessern, garantieren jedoch keine fehlerfreie Erfassung bei jeder beliebigen Belagbildung.
24.13 Sollte nach Produktbelag eine neue Störechoausblendung durchgeführt werden?
Das hängt vom Gerät, der Echokurve und der tatsächlichen Prozesssituation ab. Eine neue Ausblendung kann bei veränderten Störechos sinnvoll sein, muss aber entsprechend den Herstellervorgaben erfolgen. Dabei darf ein gültiges Füllstandecho nicht versehentlich ausgeblendet werden. Die zugrunde liegende Produktanhaftung wird durch die Softwarefunktion nicht entfernt.
24.14 Wie oft muss eine TDR-Sonde gereinigt werden?
Es gibt kein allgemein gültiges Reinigungsintervall. Entscheidend sind Produktanhaftung, Medium, Prozesstemperatur, Reinigungsmöglichkeiten und die Anforderungen an die Messstelle. Wenn sich die Echokurve oder die Signalqualität zunehmend verändert, kann dies Anlass für eine Kontrolle sein. Die Intervalle sollten anhand der tatsächlichen Betriebserfahrung festgelegt werden.
24.15 Kann die Dielektrizitätszahl die Anfälligkeit gegenüber Produktbelag beeinflussen?
Ja. Die elektrischen Eigenschaften des Mediums bestimmen mit, wie stark Reflexionen an der Produktoberfläche oder an einer Produktansammlung entstehen. Bei Medien mit niedrigem Reflexionsvermögen können zusätzliche Störechos besonders relevant werden. Entscheidend sind die tatsächlichen Materialeigenschaften und die Sondenkonstruktion.
24.16 Ist ein berührungsloses Radargerät bei starkem Produktbelag besser?
Ein berührungsloses Radarmessgerät kann sinnvoll sein, wenn eine produktberührende TDR-Sonde durch starke Anhaftungen regelmäßig beeinträchtigt wird. Allerdings müssen auch bei Radar die Antenne, mögliche Ablagerungen, Schaum, Behältereinbauten und die Medienbedingungen berücksichtigt werden. Die Eignung ist deshalb anwendungsbezogen zu prüfen.
24.17 Kann ein falscher TDR-Füllstand eine Überfüllsicherung ersetzen oder beeinflussen?
Ein fehlerhafter TDR-Füllstandwert kann die Prozesssteuerung und davon abhängige Funktionen beeinflussen. Eine kontinuierliche Füllstandanzeige ersetzt jedoch nicht automatisch eine unabhängig erforderliche Überfüllsicherung. Für sicherheitsbezogene Aufgaben muss die vollständige Schutzfunktion entsprechend den geltenden Anforderungen ausgelegt und bewertet werden.
24.18 Welches TDR-Messgerät eignet sich für Medien mit Produktanhaftungen?
Die Siemens-SITRANS-LG-Baureihe bietet verschiedene Ausführungen für Flüssigkeiten, Grenzflächen und Schüttgüter. Für Flüssigkeiten kommt beispielsweise der SITRANS LG250 infrage, für Schüttgüter der LG260. Entscheidend sind die Sondenbauform, das Belagverhalten, die Dielektrizitätszahl, die Behältergeometrie und die Diagnosemöglichkeiten. Bei besonders starken Anhaftungen können alternative Messprinzipien wie berührungsloses Radar oder geeignete kapazitive Messungen geprüft werden.