Der Bedarf an tiefkalt verflüssigten Gasen und damit der notwendigen Lagerkapazität ist in den vergangenen Jahren weltweit angestiegen. Diese Entwicklung wird unter anderem beeinflusst von der Nachfrage nach verflüssigtem Erdgas (LNG, Liquified Natural Gas). Der Energieträger kann in diesem Aggregatzustand effizient transportiert und fernab von Versorgungsnetzen platzsparend gelagert werden. Ein Liter LNG expandiert im gasförmigen Zustand auf etwa 600 l Volumen und bietet darüber hinaus eine etwa doppelt so hohe Energiedichte wie konventionell komprimiertes Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas). Neben LNG spielen weitere flüssig gelagerte Gase eine entscheidende Rolle in den unterschiedlichsten Anwendungen und Prozessen. Die Metallindustrie benötigt Argon als Schutzgas zum Schweißen, die Lebensmittelbranche Stickstoff oder Kohlendioxid zum Schockgefrieren. Sauerstoff wiederum ist ein wichtiges Medium in der Medizin.
Druck unter kryogenen Bedingungen messen
Flüssiggase für Großabnehmer werden in dafür ausgelegten Tankanlagen gelagert. Deren messtechnische Überwachung wird durch die tiefkalten, nach dem griechischen Wort für Frost auch kryogen genannten Umgebungsbedingungen nicht einfach: Im Inneren der doppelwandig vakuumisolierten Spezialtanks herrschen immerhin Temperaturen bis zu -250 °C.
Bei der Prozesskontrolle stehen vor allem zwei Kenngrößen im Fokus: Betriebsdruck und Füllstand. Der Betriebsdruck wird aus Sicherheitsgründen permanent überprüft. Steigt er durch Temperaturschwankungen oder zu niedrigem Verbrauch über ein bestimmtes Niveau, muss der überschüssige Druck und damit eine entsprechend große Menge Gas über ein Sicherheitsventil in die Atmosphäre entlassen werden. Der Füllstand, die zweite relevante Kenngröße, wird ebenfalls über eine Druckmessung kontrolliert. Dazu wird der Differenzdruck zwischen flüssiger und gasförmiger Phase im Behälter ermittelt. Für die genaue Berechnung des Inhalts müssen neben dem hydrostatischen Druck noch die Tankgeometrie – liegender oder stehender Behälter, verschiedene Deckel und Böden – sowie die spezifische Dichte des Messstoffs in die Kalkulation einbezogen werden.
Die Füllstandkontrolle bei Gastanks beruhte in der Vergangenheit auf einer mechanischen Messung, der ermittelte Wert musste vor Ort abgelesen werden. Heutzutage werden überwiegend Messgeräte mit elektrischen Signalausgängen eingesetzt, die alle Angaben an eine Leitwarte oder Kontrollstelle des Betreibers übertragen. Dort kann die Nachbestellung für alle betriebseigenen Tanks koordiniert oder an den externen Lieferanten weitergeleitet werden. Doch muss sich die Messtechnik zunehmend an einem anderen Geschäftsmodell bei der Flüssiggas-Versorgung ausrichten: Die Betreiber der Tankanlagen legen die Organisation des Nachschubs vollständig in die Hände ihrer Lieferanten. Damit diese wiederum eine erhebliche Anzahl Tanks an verschiedenen Standorten effizient mit Gas beliefern können, müssen alle Messwerte in einem einzigen System oder einer Datenbank zusammengeführt werden. Eine Messanordnung, die diesem Modell entsprechen soll, hat folgende Aufgaben zu bewältigen:
Betriebsdruck und Füllstand exakt messen
Messwerte (lokale Signalausgänge) bereithalten
Daten der Messwerte an den Lieferanten fern übertragen
Lokale Anzeige der Messwerte von Füllstand und Druck als Back-up
Analog zu diesen Anforderungen hat Wika das modulare Messgerätekonzept Cryo Gauge entwickelt. Die Basis bildet ein tankspezifisches, mechatronisches Differenzdruckmessgerät, welches die Messwerte für den Füllstand lokal anzeigt und mittels integriertem Transmitter in elektronische Form umwandelt. Über einen Ventilblock angekoppelt ist eine mechanische Betriebsdruckanzeige mit angeschlossenem Druckmessumformer, der wie der Transmitter des Füllstandmessgeräts ein 4- bis 20-mA-Standardsignal liefert. Beide Ausgänge dienen als Input für das Datenfernübertragungsmodul des Systems. Diese Einheit digitalisiert die analogen Messwerte und überträgt sie per GSM-Technik (Global System for Mobile Communications) an ein Online-Datencenter, auf das der jeweilige Lieferant Zugriff erhält. Dabei werden die Messwerte wahlweise im SMS- (Short Message Service) oder GPRS-Modus (General Packet Radio Service) übertragen. Das Modul ist zusätzlich mit zwei Kabelausgängen ausgestattet, die dem Betreiber die Parameterwerte auch lokal zur Verfügung stellen.
Die Wireless-Übertragung der Angaben an das Datencenter erfolgt benutzerdefiniert in Abhängigkeit von der Tankgröße, dem jeweiligen Gas und dessen Verwendungszweck entweder täglich oder stündlich. Eine zusätzliche Überwachungsfunktion löst im Fall eines unerwartet raschen Sinkens des Füllstands, verursacht zum Beispiel durch eine Leckage am Tank, sofort eine Warnmeldung aus. Das Online-Datencenter, das über eine passwortgeschützte Website zugänglich ist, protokolliert und visualisiert nicht nur sämtliche Tankdaten. Über die Plattform lässt sich auch das Übertragungsmodul komfortabel einstellen. Kernelemente sind das Konfigurieren von benutzerdefinierten Alarmen und das Weiterleiten von Benachrichtigungen. Schnittstellen zu Drittsystemen sind ebenfalls möglich. Um den Tankfüllstand zu überwachen, werden typischerweise zwei oder drei sogenannte Alarmschwellen eingerichtet. Die erste Marke signalisiert dem zuständigen Logistik-Mitarbeiter, das Nachfüllen zu planen. Die zweite Schwelle zeigt das Unterschreiten der Sicherheitsreserve an und eskaliert die Meldung gegebenenfalls an einen Kollegen oder Vorgesetzten. Eine dritte Marke teilt etwa das Erreichen des maximalen Füllstands mit.
Höhere Effizienz für beide Seiten
Weiterhin können alle Nachrichten zielgerichtet an spezifische Personen oder Personengruppen weitergeleitet werden. So geht zum Beispiel die reguläre Information zum Nachbestellen per E-Mail an die Logistikabteilung, während technische Störungen direkt dem Serviceteam gemeldet werden. Das Cryo-Gauge-Messsystem bietet nicht nur eine Tankkontrolle an festen Standorten. Bei mobilen oder temporären Tankanlagen wird seine Elektrik über ein Batteriepack versorgt. So ist selbst in Arealen ohne ausreichende Infrastruktur eine Überwachung möglich.
Dieses Anwendungsbeispiel macht deutlich, dass Messsysteme mit Telemetrie beiden Seiten Vorteile bieten. Dem Lieferanten ermöglicht es eine kostenoptimale Routenplanung zum Befüllen der Tanks per Fahrzeug. Der Tankbetreiber muss sich nicht mehr selbst darum kümmern, Gase zu beschaffen, und profitiert darüber hinaus von einer erhöhten Betriebssicherheit. Das Potenzial, das in der Kombination von klassischer Messtechnik und moderner Kommunikationselektronik steckt, ist damit noch längst nicht ausgeschöpft.
