Kann ein Radar-Tankmessgerät auch für Tanks mit einem hohen Maß an akustischen Störungen verwendet werden?

Wenn Sie jemals an einem heißen Nachmittag neben einem Raffinerietanklager gestanden haben, haben Sie wahrscheinlich tiefe, dröhnende Vibrationen gespürt, die Ihre Brust zum Rasseln bringen – akustische Störungen in ihrer rauesten und beständigsten Form. Für Bediener, die mit der genauen Füllstandsmessung betraut sind, sind das gleiche Brummen, das Klappern von Pumpen, das Entweichen von Dampf und sogar das schwache Echo von in einem Tank schwappendem Produkt nicht nur Hintergrundgeräusche – es stellt eine Bedrohung für Daten dar, die dafür sorgen, dass Anlagen sicher, konform und profitabel bleiben. Jahrelang haben viele Industrieteams hochakustische Tanks als „unmöglich“ für Radar-Tankmessgeräte abgetan, in der Annahme, dass Geräusche Radarsignale übertönen würden, so wie statische Aufladung ein Radio verwischt. Als Lieferant von Radar-Tankmessgeräten mit jahrzehntelanger Erfahrung im Feldeinsatz möchte ich Ihnen mitteilen, dass dieser Mythos genau das ist – und dass moderne Radartechnologie darauf ausgelegt ist, zu gedeihen und nicht zu kämpfen, selbst in Umgebungen, in denen akustische Störungen zum täglichen Rhythmus gehören.

Lassen Sie uns zunächst eine häufige Verwechslung durchbrechen: akustische Interferenz vs. Radarsignalverzerrung. Akustische Energie sind Schallwellen – Schwingungen, die sich durch Luft oder Flüssigkeit ausbreiten, mit Frequenzen, die von tiefem Rumpeln (20 Hz oder weniger) bis zu hohem Jammern (20 kHz) reichen können. Im Gegensatz dazu verwendet Radar elektromagnetische (EM) Wellen, die in völlig unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten (typischerweise 1 GHz bis 100 GHz für industrielle Füllstandsmessgeräte) und nicht in einer Weise mit Schallwellen interagieren, die zu Signalverfälschungen führt – zumindest nicht direkt. Das eigentliche Problem akustischer Störungen bei Radar-Tankmessgeräten besteht nicht darin, dass sie das Radar selbst übertönen, sondern darin, dass sie Störgeräusche in der Signalverarbeitung des Messgeräts erzeugen. Stellen Sie sich das so vor: Ihr Radar sendet einen fokussierten EM-Impuls aus, der von der Produktoberfläche des Tanks abprallt, zurückkommt und das Messgerät misst die Flugzeit, um den Füllstand zu berechnen. Aber unerwünschte elektrische Geräusche, mechanische Vibrationen oder sogar Übersprechen von anderen Messgeräten in der Nähe können dem Signal „falsche Echos“ hinzufügen, sodass das Messgerät den Eindruck erweckt, dass es einen Impuls von einer Stelle empfängt, an der es keinen Impuls erhält. Hier tauchen akustische Störungen auf: Einige der häufigsten Quellen dieser Störgeräusche sind mechanische Vibrationen von Pumpen, Rührwerken oder sogar der Biegung der Tankstruktur, die sich in elektrischem Rauschen in der Elektronik des Messgeräts niederschlagen oder kleine, zufällige EM-Störungen erzeugen können, die die Signalverarbeitung stören.

Frühe Radar-Tankmessgeräte, insbesondere ältere TDR-Modelle (Time-Domain-Reflectometry), hatten damit zu kämpfen, da sie auf einer einfachen Signalmittelung beruhten, die nicht zwischen realen Produktoberflächenechos und zufälligem Rauschen von akustischen Quellen unterscheiden konnte. Aber die heutige Radartechnologie hat sich weiterentwickelt, um dieses Problem direkt zu lösen, und der Beweis liegt in realen Einsätzen in Branchen, die mit ständig hohen akustischen Störungen zu kämpfen haben: Öl- und Gasraffinerien, chemische Verarbeitungsanlagen, Abwasseraufbereitungsanlagen und sogar große Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungsanlagen mit mit Rührwerken ausgestatteten Tanks.

Beginnen wir mit Messgeräten für geführte Wellenradare (GWR), die eine unserer beliebtesten Lösungen für Anwendungen mit hoher Interferenz sind. Im Gegensatz zum berührungslosen Radar, das einen Impuls durch die Luft zur Produktoberfläche sendet, leitet GWR diesen Impuls entlang einer Sonde (Kabel oder Stab), die sich im Tank befindet, sodass der EM-Impuls auf die Sonde beschränkt ist. Dadurch ist es weitaus weniger anfällig für Geräusche aus der Tankumgebung – einschließlich akustischer Interferenzen, die störende Luftechos erzeugen, da sich der Impuls auf einem festen, speziellen Weg ausbreitet. Für hochakustische Tanks mit starken Turbulenzen, Rührwerken oder konstanten mechanischen Vibrationen ist das fokussierte Signal von GWR ein entscheidender Faktor. Unser SLDL5526 Dual-Cable Guided Wave Radar ist hier ein perfektes Beispiel: Es ist für Tanks mit bis zu 100 % Produktturbulenzen konzipiert, die oft mit hohen akustischen Geräuschen von Rührwerken oder Umwälzpumpen einhergehen. Bei einem kürzlichen Einsatz im Rohöl-Zufuhrtank einer Raffinerie im Mittleren Westen kam es zu konstanten akustischen Geräuschen von zehn großen Umwälzpumpen, die rund um die Uhr in Betrieb waren, sowie von einem Rührwerk mit variabler Drehzahl, das Produktturbulenzen erzeugte, die stark genug waren, um ältere Füllstandsmessgeräte zu beeinträchtigen. Vor der Umstellung auf den SLDL5526 hatte die Anlage mit Füllstandmessfehlern von bis zu 1,2 Fuß zu kämpfen, was zu einer Über- oder Unterfüllung des Zufuhrtanks und unnötigen Ausfallzeiten führte. Nach der Installation half das Doppelkabeldesign des SLDL5526 dabei, Rauschen herauszufiltern, indem zwei identische EM-Impulse verglichen wurden, die sich entlang separater Sonden ausbreiteten, wodurch Störechos durch akustische Vibrationen eliminiert wurden. Die Anlage meldete eine Füllstandgenauigkeit von 0,1 Zoll, selbst bei Pumpzyklen, die bis zu 85 dB akustischen Lärm erzeugten – auf dem Niveau des Lärmpegels eines geschäftigen Büros, aber konstant genug, um geringere Messgeräte zu durchbrechen.

Für Tanks, die unter extremen Bedingungen betrieben werden – wie hohen Temperaturen oder hohen Drücken, die oft auch mit erhöhten akustischen Vibrationen von Heizsystemen oder Druckreglern einhergehen – ist unser kabelgeführtes Hochtemperaturradar SLDL5524 für die Bewältigung dieser doppelten Herausforderungen ausgelegt. Ich habe letztes Jahr mit einem Spezialchemiewerk zusammengearbeitet, das über einen 50.000-Gallonen-Reaktortank verfügte, der geschmolzenes Polymer bei 450 °F enthielt, mit einem Dampfrezirkulationssystem, das ein gleichmäßiges niederfrequentes akustisches Rumpeln erzeugte. Das Werk hatte zunächst Ultraschall-Füllstandmessgeräte ausprobiert, die jedoch innerhalb eines Monats versagten, weil die hohe Temperatur die Schallwellen verzerrte, und sogar ein standardmäßiges berührungsloses Radar, das die mechanischen Vibrationsgeräusche nicht herausfiltern konnte. Die für hohe Temperaturen ausgelegte Kabelsonde des SLDL5524 ist so konstruiert, dass sie diesen extremen thermischen Bedingungen standhält, und ihr fortschrittlicher Signalverarbeitungsalgorithmus kann zwischen echten Produktoberflächenechos und Geräuschen der vibrierenden Struktur des Tanks unterscheiden. Das Messgerät ist nun seit 18 Monaten ohne Ausfallzeiten in Betrieb und die Genauigkeit der Füllstandmessung liegt innerhalb von 0,2 Zoll – selbst wenn das Dampfsystem auf den maximalen Druck hochfährt und der Mischung zusätzliche akustische Geräusche hinzufügen.

Aber Radar mit geführten Wellen ist nicht die einzige Lösung für starke akustische Interferenzen – auch das berührungslose Radar hat enorme Fortschritte gemacht, insbesondere die Phase-Shift-Array-Radartechnologie. Unsere Phase-Shift-Array-Serie SLDL53-40 ist ein großartiges Beispiel für berührungsloses Radar, das in Umgebungen mit hohem Rauschen hervorragende Leistungen erbringt. Im Gegensatz zum einfachen berührungslosen Radar, bei dem eine einzige Antenne zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet wird, verwendet das Phase-Shift-Array-Radar ein Gitter aus kleinen Antennen, die zusammenarbeiten, um den Radarimpuls in einen engen, schmalen Strahl zu bündeln. Dieser fokussierte Strahl bedeutet, dass der Impuls nur die Produktoberfläche trifft und nicht die Tankwände, Rohre oder andere Geräte, die Störechos akustischer Vibrationen reflektieren können. Für große Lagertanks, die keine Sonde benötigen, die durch das Produkt verläuft (einige Branchen verbieten Sonden aus hygienischen Gründen, z. B. bei Lebensmitteln und Getränken, oder weil das Produkt zu viskos ist), ist dies ideal. Eine Handwerksbrauerei im pazifischen Nordwesten wandte sich letztes Jahr mit einem Problem an uns: Ihre 200-Barrel-Gärtanks waren mit Rührwerken ausgestattet, die mit 300 U/min liefen und ein hohes akustisches Heulen erzeugten, das dazu führte, dass ihre alten Ultraschall-Füllstandsmessgeräte während der aktiven Fermentationsphase unregelmäßige Werte anzeigten. Sie konnten GWR nicht verwenden, da die Hygienevorschriften die Anwesenheit von Fremdkörpern in den Fermentationsgefäßen verbieten. Daher empfahlen wir das Phase-Shift-Array SLDL53-40. Dank der Array-Technologie des Messgeräts kann es Echos vom Rührwerk und den Tankwänden herausfiltern, indem es seinen Strahl direkt auf die Flüssigkeitsoberfläche fokussiert, selbst wenn der akustische Lärm vom Fermentationsprozess (und vom Rührwerk) bis zu 90 dB erreicht. Es ist nun seit einem Jahr im Einsatz und die Brauerei meldet genaue Füllstandmessungen während der gesamten Gärung, selbst in den turbulentesten Phasen.

Natürlich sind nicht alle hochakustischen Tanks gleich, und manchmal benötigen Sie ein Messgerät, das sowohl extremen Druck, Temperatur als auch akustischem Lärm standhält. Hier kommt unser Hochtemperatur- und Hochdruckradar SLDL5228 ins Spiel, das für Tanks entwickelt wurde, die bei bis zu 800 °F und 1500 PSI betrieben werden – üblich bei der Stromerzeugung oder der Verarbeitung schwerer Chemikalien. In diesen Umgebungen gibt es ständig akustische Geräusche von Hochdruckventilen, Rohrvibrationen und Kesselsystemen. Daher verwendet der SLDL5228 eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitung (DSP), die durch Analyse der Form und des Timings des Impulses echte Echos vom Rauschen trennen kann. Ich habe kürzlich ein Kraftwerk im Südwesten besucht, das über einen 100.000-Gallonen-Kesselspeisetank mit ständigem akustischem Lärm von zwei Hochdruckpumpen und einem Entlüftungssystem verfügte. Die Anlage verwendete ein mechanisches Füllstandsmessgerät, das wöchentlich kalibriert werden musste, und die ungenauen Füllstände führten zu gelegentlichen Kesselausfällen. Nach der Installation des SLDL5228 reduzierte die Anlage die Kalibrierungshäufigkeit auf alle sechs Monate und die Kesselauslösungen aufgrund von Füllstandsfehlern sanken auf Null – selbst wenn die Pumpen liefen, was zusätzliche akustische Geräusche im Tank verursachte.

Eine häufige Frage, die ich von Betreibern bekomme, ist: „Was ist mit Tanks, die Schaum enthalten? Machen akustische Störungen und Schaum Radarmessgeräte unbrauchbar?“ Das ist eine berechtigte Sorge – Schaum kann ein Sekundärecho erzeugen und akustische Vibrationen können dazu führen, dass sich Schaum auf eine Weise bewegt, die die Signale verzerrt. Aber unser Tankmessgerät SLDL5215Radar, ein vielseitiges berührungsloses Radargerät mittlerer Reichweite, verfügt über einen speziellen Schaumerkennungsalgorithmus, der zusammen mit der Geräuschfilterung zwischen Schaum und der tatsächlichen Produktoberfläche unterscheidet. Beispielsweise verfügte eine Kläranlage im Südosten über Belebungstanks mit starkem Schaum und ständigen akustischen Geräuschen von Belüftungsgebläsen, was zu einem wahren Wirbelsturm an Füllstandmessproblemen führte. Sie hatten zuvor mehrere Messgeräte ausprobiert, alle scheiterten, bis wir das SLDL5215 installierten. Der Algorithmus des Messgeräts filtert das akustische Geräusch des Gebläses heraus, identifiziert die Schaumschicht und misst sowohl die Schaumdicke als auch den tatsächlichen Flüssigkeitsstand mit einer Genauigkeit von 0,3 Zoll – etwas, das ältere Messgeräte nicht konnten.

Wenden wir uns nun dem Elefanten im Raum zu: Warum versagen manche Radar-Tankmessgeräte in Umgebungen mit hoher Akustik immer noch? Es kommt auf zwei Schlüsselfaktoren an: veraltete Signalverarbeitung und schlechte Anpassung von Messgerät und Tank. Viele billige Radarmessgeräte der Einstiegsklasse verwenden eine einfache Signalmittelung, die Echtzeitrauschen nicht berücksichtigt, sodass sie am Ende Störechos von akustischen Vibrationen in ihre Füllstandsmesswerte einbeziehen. Der andere Fehler besteht darin, ein einheitliches Messgerät für eine einzigartige Umgebung zu wählen. Beispielsweise könnte es in einem ruhigen Labor funktionieren, ein standardmäßiges berührungsloses Radar an einem Tank mit einem starken Rührwerk anzubringen, aber draußen im Feld erzeugen die mechanischen Vibrationen genug elektrisches Rauschen, um das Messgerät auszuschalten. Deshalb verkaufen wir als Lieferant nicht nur Messgeräte – wir arbeiten mit Betreibern zusammen, um ihre spezifische Tankumgebung zu bewerten: akustische Geräuschpegel, Produkttyp, Tankgröße, Druck, Temperatur und alle anderen einzigartigen Variablen, um das richtige Messgerät zu empfehlen.

Die gute Nachricht ist, dass die Zeiten, in denen hochakustische Tanks als nicht messbar abgetan wurden, längst vorbei sind. Radar-Tankmessgeräte kümmern sich nicht um Schallwellen – sie kümmern sich um EM-Impulse – und moderne Technologie hat diese Impulse stark, fokussiert und intelligent genug gemacht, um Geräusche von Pumpen, Rührwerken und anderen Quellen zu ignorieren. Von Doppelkabel-GWR für turbulente Rohöltanks bis hin zu berührungslosen Phasenschieber-Array-Messgeräten für sanitäre Fermentationsbehälter gibt es für jede Anwendung mit hohen Interferenzen eine Lösung.

Wenn Sie bei Ihren Füllstandmessungen ständig mit akustischen Geräuschen zu kämpfen haben und keine Lust mehr auf unregelmäßige Messwerte, Ausfallzeiten oder Kalibrierungsprobleme haben, können wir Ihnen helfen. Unser Team hat mit Einrichtungen aller Branchen zusammengearbeitet, um Radar-Tankmessgeräte einzusetzen, die selbst in den lautesten und anspruchsvollsten Umgebungen zuverlässig funktionieren, von Raffinerien über Brauereien bis hin zu Kraftwerken. Um mehr über unsere Lösungen für hochakustische Interferenzen zu erfahren oder einen Beratungstermin für Ihre spezifischen Tankanforderungen zu vereinbaren, nehmen Sie noch heute Kontakt mit unserem Team auf. Unsere Produktlinien, darunter das Dual-Cable Guided Wave Radar SLDL5526, die SLDL53-40 Phase-Shift Array-Serie, das SLDL5524 High Temperature Cable Guided Wave Radar, das SLDL5215Radar Tank Gauge und das SLDL5228 High Temperature and High Pressure Radar, sind alle darauf ausgelegt, gleichbleibende Genauigkeit zu liefern, wenn Sie sie am meisten benötigen.

Referenzen

1. Grundlagen der Füllstandmessung: Radar vs. akustische Technologien. ISA-Veröffentlichungen, 2021.
2. Industrielle Radarsignalverarbeitung für Umgebungen mit hohem Lärmpegel. Journal of Process Control, vol. 38, 2019, S. 45-52.
3. Geführte Wellenradaranwendungen in turbulenten Flüssigkeitstanks. Chemical Engineering Progress, Bd. 115, Nr. 7, 2020, S. 32-37.
4. Phase-Shift-Array-Radar für große Lagertanks. Petroleum Technology Quarterly, Bd. 25, nein. 2, 2021, S. 61-68.
5. Lärmminderungsstrategien in industriellen Füllstandsmessgeräten. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 67, nein. 10, 2020, S. 8612-8620.