Füllstandmessung in Druckbehältern: LPG und Ammoniak

Die Füllstandmessung in Druckbehältern erfasst kontinuierlich die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche in einem Behälter unter Überdruck, üblicherweise mit einem berührungslosen 80 GHz Radarfüllstandmessumformer. Dazu gehören Anwendungen mit LPG, flüssigem Ammoniak und flüssigem Sauerstoff, bei denen Dampfpermittivität, kryogene Werkstoffe und die Zulassung für explosionsgefährdete Bereiche die Einsatzgrenzen bestimmen. Typische Messspannen betragen 0-12 m bei bis zu 25 bar g.

Warum die Füllstandmessung in Druckbehältern eine Dampfkompensation benötigt

Ein FMCW-Radarfüllstandmessumformer misst die Laufzeit eines Mikrowellen-Frequenzdurchlaufs durch den Raum oberhalb der Flüssigkeit und berechnet die Entfernung als d = c*t/2. In trockener Luft bei 20 °C beträgt die relative Permittivität etwa 1.0006; c weicht damit um weniger als 0.03 % vom Vakuumwert ab. Bei der Füllstandmessung in Druckbehältern enthält der Gasraum gesättigten Dampf statt Luft, und die Wellengeschwindigkeit sinkt auf c/sqrt(er). Verwendet der Messumformer weiterhin den Vakuumwert, zeigt er die Entfernung um den Faktor sqrt(er) zu groß an, also um (sqrt(er) - 1) der tatsächlichen Entfernung.

Da der Füllstand der Leerdistanz E abzüglich der gemessenen Entfernung entspricht, führt eine zu große Entfernungsanzeige zu einem um denselben Betrag zu niedrigen Füllstand. Bei einem 8.000 m hohen Dampfraum mit er = 1.021 beträgt die angezeigte Entfernung 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m; der gemeldete Füllstand liegt somit 83.6 mm unter der tatsächlichen Grenzfläche. Die Abweichung wächst mit der Höhe des Dampfraums und ist deshalb bei nahezu leerem Behälter am größten, wo die Niedrigfüllstandsalarme liegen. Der Effekt betrifft sowohl berührungsloses FMCW-Radar als auch geführtes Radar, da die Welle den unter Druck stehenden Dampf durchläuft. Die Korrektur erfolgt durch einen festen er-Eintrag, einen Referenzreflektor in bekanntem Abstand oder eine Referenzsonde in einem Beruhigungsrohr.

Wie eine kleine Änderung der Permittivität zu Millimetern Abweichung führt

Die Wellengeschwindigkeit im Gasraum beträgt v = c0/sqrt(er) mit c0 = 299 792 458 m/s. Der Messumformer misst die Echolaufzeit und multipliziert sie mit c0/2. Damit gilt für die angezeigte Entfernung d_read = d_true*sqrt(er) und für den Füllstandsfehler dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

Rechenbeispiel mit angenommenen Anlagenwerten (veranschaulichende Berechnung, keine im Feld gemessenen Daten): ein LPG-Kugelbehälter mit 8.000 m Dampfraum, gesättigtem Propandampf bei 8 bar g und 20 °C sowie angenommenem er = 1.021. Dann gilt sqrt(1.021) = 1.010445 und dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m beziehungsweise -83.6 mm. Bei 8 bar g und er = 1.015 beträgt die Abweichung -59.8 mm; bei 12 bar g und er = 1.030 erreicht sie -119.1 mm. Voraussetzung für diese Füllstandmessung in Druckbehältern sind stabile Druck- und Temperaturverhältnisse sowie eine konstante Dampfzusammensetzung. Druckschwankungen beim Befüllen machen einen einzigen festen er-Wert ungültig; dann ist eine referenzbasierte Korrektur erforderlich.

Dies sind typische technische Richtwerte für gesättigten Dampf, keine Produktspezifikationen. Prüfen Sie er für die tatsächliche Gaszusammensetzung und den Druck anhand des aktuellen Gasdatenblatts, bevor Sie einen Kompensationswert eingeben.

Wann Ultraschall bei geschlossenen Behältern ausscheidet

Ein Ultraschall-Füllstandmessumformer sollte für Druckbehälter nicht vorgesehen werden, wenn sich Dampfzusammensetzung, Druck oder Temperatur während des Befüllzyklus ändern können. Er misst die Laufzeit einer mechanischen Welle, deren Geschwindigkeit von der Molekülmasse des Gases, vom Druck und von der Temperatur abhängt. In einem belüfteten Wassertank genügt eine Temperaturkompensation; im Gasraum eines LPG- oder Ammoniakbehälters gibt es keine einheitliche Schallgeschwindigkeit, weil sich Gasdichte und Zusammensetzung mit dem Sättigungsdruck ändern. Der Schallweg verursacht dann einen unkontrollierten Fehleranteil, der die für Überfüllschutzaufgaben üblicherweise geforderte Genauigkeit von ±2 mm bis ±10 mm bei Weitem überschreitet.

Zwei weitere Einsatzgrenzen machen das Verfahren unbrauchbar. Schall breitet sich im Vakuum nicht aus; in einem evakuierbaren Behälter geht das Echo daher vollständig verloren. Dichter gesättigter Dampf, Schaum oder kondensierende Tröpfchen dämpfen den Impuls, bis trotz vorhandener Flüssigkeit kein Rücksignal mehr ankommt. Unter diesen Bedingungen ist ein Radarfüllstandmessumformer mit der oben beschriebenen Dampfkorrektur die richtige Wahl; ein leistungsfähigeres Ultraschallgerät löst das Problem nicht.

Was kryogene Anwendungen bei medienberührten Werkstoffen verändern

Flüssiger Sauerstoff wird bei annähernd atmosphärischem Druck nahe -183 °C gelagert; flüssiges Ammoniak oder LPG können bei gekühlter Lagerung etwa -40 °C erreichen. Austenitische nichtrostende Stähle bleiben bei diesen Temperaturen zäh; gewöhnliche Kohlenstoffstähle und viele Elastomere verspröden. Antenne, Prozessabdichtung, Flachdichtung und sämtliche Beschichtungen müssen jeweils für die niedrigste Metalltemperatur ausgelegt sein, nicht nur für die normale Betriebstemperatur: Beim Abkühlen oder bei einer Druckentlastung kann die Baugruppe unter den Auslegungswert gelangen.

Bei Sauerstoff kommt eine Reinheitsanforderung hinzu: Medienberührte Teile müssen öl- und fettfrei sein, und die Reinigung muss dokumentiert werden. Eine thermische Verlängerung hält das Elektronikgehäuse außerhalb der Kältezone; ihre Länge muss zum zertifizierten Umgebungstemperaturbereich passen. Ein für -40 °C ausgelegtes Gehäuse darf nicht unmittelbar an einem -183 °C kalten Stutzen sitzen. Kondensat und Eis auf der Antennenfläche treten beim Abkühlen häufig auf. Deshalb wird üblicherweise eine Spülung oder eine gekapselte Antenne mit nachgewiesener tieftemperaturtauglicher Abdichtung vorgesehen. Prüfen Sie vor dem Einbau jede medienberührte Werkstoffgüte, die Dichtungsmischung und den zertifizierten Umgebungstemperaturbereich am Typenschild des gelieferten Geräts.

Wie oberhalb der Flüssigkeit eine nutzbare Messbereichsreserve bleibt

Für die Füllstandmessung in Druckbehältern sei eine Leerdistanz E von 12.000 m zwischen Flanschfläche und Behälterboden angenommen. Für eine bündige 80 GHz Linsenantenne gilt eine Blockdistanz von 0.10-0.20 m; hier werden für einen verlängerten Stutzen vorsichtshalber 0.400 m angesetzt, was anhand des aktuellen Datenblatts zu prüfen ist. Damit kann der Messumformer keinen Füllstand oberhalb von 11.600 m erfassen. Liegt die Hoch-Hoch-Abschaltung bei 11.200 m und beträgt der erforderliche Freiraum 0.300 m, verbleiben zwischen Abschaltpunkt und oberer Messgrenze 0.400 m; die Anforderung ist erfüllt. Ein 0.600 m langer Stutzen würde die Reserve auf 0.200 m verringern; die Prüfung wäre nicht bestanden.

Die Formel gehört auf das Bestellblatt: nutzbare obere Reserve = E - Blockdistanz - maximaler Betriebsfüllstand. Bei einem 12.000 m hohen Behälter entsprechen 0.400 m Reserve 3.3 % der Messspanne; bei einem Behälter unter 2.000 m beansprucht dieselbe Blockdistanz 20 % der Messspanne.

• Erfassen Sie E ab der Flanschfläche, nicht ab dem Dach.
• Geben Sie die Blockdistanz für die bestellte Antenne und den bestellten Stutzen an, nicht den Mindestwert aus dem Katalog.
• Prüfen Sie die Reserve nach jeder Änderung an Adapter, Verlängerung oder Isolierung erneut.
• Legen Sie die Hoch-Hoch-Abschaltung unterhalb der oberen Messgrenze fest, nicht genau auf dieser Grenze.

Womit das Zertifikat bei der gelieferten Ausführung übereinstimmen muss

Vergleichen Sie bei der Füllstandmessung in Druckbehältern das Zertifikat mit der bestellten Konfiguration, nicht mit der Broschüre. Gasgruppe, Temperaturklasse, Geräteschutzniveau und zertifizierter Umgebungstemperaturbereich müssen auf dem gelieferten Typenschild stehen und zur Ex-Bereichseinstufung des Behälters passen. Ein Gerät mit Zulassung für -20 °C bis +60 °C Umgebungstemperatur darf nicht dort eingebaut werden, wo das Gehäuse -40 °C ausgesetzt ist, selbst wenn die Prozessabdichtung für niedrigere Temperaturen ausgelegt ist. Nachträglich ergänzte Adapter, Spülungen, Heizungen oder Fernanzeigen müssen von der Zulassung abgedeckt sein.

Gleichen Sie jede Zeile mit dem aktuellen Datenblatt und dem Typenschild ab; fordern Sie fehlende Werte vor der Freigabe an. Auf der Produktseite jedes Radargeräts ist aufgeführt, welche Konfigurationen über welches Zertifikat verfügen. Ein Fachartikel zu Zulassungskennzeichnungen erläutert die Schreibweise.

Häufige Fragen

F1. Benötigt die Füllstandmessung in Druckbehältern bei jedem Behälter eine Dampfkompensation?

Nein. Sie ist nur nötig, wenn die Permittivität im Gasraum eine Abweichung oberhalb Ihrer Fehlergrenze verursacht. Luft bei 1 bar über 2.000 m ergibt etwa 0.6 mm und kann vernachlässigt werden; gesättigter LPG-Dampf bei 8 bar g über 8.000 m erreicht ungefähr 84 mm. Prüfen Sie er anhand aktueller Gasdaten.

F2. Kann ein Ultraschall-Füllstandmessumformer Radar an einem geschlossenen Ammoniakbehälter ersetzen?

Nein, wenn sich Druck oder Dampfzusammensetzung während des Zyklus ändern. Die Ultraschall-Laufzeitmessung setzt eine bestimmte Schallgeschwindigkeit voraus; im geschlossenen Ammoniak-Gasraum ändert sie sich mit Druck, Temperatur und Gasdichte. Im Vakuum entfällt das Echo, und dichter Dampf kann es absorbieren. Verwenden Sie stattdessen Radar mit Dampfkompensation.

F3. Welche Werkstoffprüfung für tiefe Temperaturen wird am häufigsten übersehen?

Die Flachdichtung und die Prozessabdichtung, nicht die Antenne. Antennenwerkstoffe werden für kryogenen Einsatz spezifiziert; eine nur bis -20 °C ausgelegte Elastomerdichtung verhärtet jedoch bei -40 °C und wird undicht. Prüfen Sie die niedrigste Metalltemperatur jedes medienberührten Teils, den Umgebungstemperaturbereich des Gehäuses und das Protokoll der ölfreien Reinigung.

F4. Welche obere Reserve sollte bei der Bestellung oberhalb der Hoch-Hoch-Abschaltung vorgesehen werden?

Mindestens 0.300 m sind ein gängiger Ausgangswert; leiten Sie die Reserve jedoch aus Blockdistanz und Behältergeometrie ab. Bei 12.000 m Leerdistanz und 0.400 m Blockdistanz liegt die obere Messgrenze bei 11.600 m; ein Abschaltpunkt bei 11.200 m lässt 0.400 m Reserve. Berechnen Sie diese nach jeder Stutzenänderung neu.

F5. Vermeidet geführtes Radar das Problem der Dampfpermittivität?

Nein. Der Impuls läuft weiterhin entlang der Sonde durch den Gasraum. Seine Geschwindigkeit sinkt daher mit steigendem er, und derselbe Faktor sqrt(er) gilt, auch wenn die Geometrie von der eines frei abstrahlenden FMCW-Geräts abweicht. Bei Hochdruckanwendungen ist weiterhin eine Referenzsonde oder ein fester er-Eintrag erforderlich.

F6. Womit muss das Zulassungszertifikat am gelieferten Gerät übereinstimmen?

Mit der bestellten Konfiguration und der Bereichseinstufung vor Ort. Prüfen Sie Zündschutzart, Gasgruppe, Temperaturklasse, Geräteschutzniveau und zertifizierten Umgebungstemperaturbereich anhand des Ex-Zonenplans. Kontrollieren Sie anschließend, ob alle Angaben auf dem Typenschild stehen. Ein nachträglich ergänzter Adapter, eine Spülung oder eine Heizung muss von der Zulassung abgedeckt sein.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Füllstandmessung in Druckbehältern beruht auf drei Prüfungen: Dampfpermittivität korrigieren, medienberührte Tieftemperaturwerkstoffe bestätigen und eine messbare Bereichsreserve vorsehen. Das Rechenbeispiel zeigt: Ein angenommenes er = 1.021 über 8.000 m Dampfraum verschiebt den gemeldeten Füllstand um 83.6 mm. Das liegt weit über den für Überfüllschutzaufgaben üblicherweise geforderten ±2 mm bis ±10 mm. Als Nächstes ist das Abnahmeblatt zusammenzustellen und jede Zeile vor der Freigabe anhand des aktuellen Datenblatts zu prüfen.