Wer Aluminium, Stahl oder Kupfer einschmilzt, steht vor einem messtechnischen Grundproblem: Der Ofen ist geschlossen, die Schmelze bis zu 1.600 Grad heiß, die Atmosphäre voller Staub, Dampf und Rauch. Klassische Sensoren versagen unter diesen Bedingungen zuverlässig. Bislang griffen viele Betreiber deshalb auf radiometrische Systeme zurück - mit Gammastrahlung, Strahlenschutzauflagen und erheblichem Kalibrieraufwand. Das Freiburger Unternehmen OndoSense hat jetzt eine Alternative vorgelegt, die ohne Radioaktivität auskommt.
Das Messproblem im Schmelzofen
Die Füllstandsmessung in Schmelzöfen ist besonders für das Recycling von Metallschrott wie Aluminium, Stahl oder Kupfer erforderlich, um exakt festzustellen, wann das Metall vollständig geschmolzen ist[1]. Das klingt trivial, ist es aber nicht: Zu Beginn des Schmelzprozesses bildet der noch feste Metallschrott einen Haufen in der Mitte des Ofens, sodass der Füllstand am Ofenrand niedriger ist. Mit fortschreitendem Schmelzen steigt der Füllstand am Rand - erst wenn das Metall vollständig geschmolzen ist, sind die Werte überall identisch.[1] Der Sensor muss also nicht nur extreme Temperaturen überstehen, sondern auch dynamisch schwankende Füllstände in Echtzeit erfassen.
Der Einsatz von Radioaktivität zur Bestimmung von Füll- und Grenzstand hat viele Vor-, aber auch zwei Nachteile: Radiometrische Geräte sind eher teuer und erfordern besondere Genehmigungen und Sicherheitsvorkehrungen. Hinzu kommt: Messungen mit radioaktiven Isotopen unterliegen strengen behördlichen Genehmigungen, Sicherheitsunterweisungen und Strahlenschutzauflagen. Zudem müssen radiometrische Systeme je nach Ofenwandstärke, Metall oder Legierung neu kalibriert werden, um verlässliche Messwerte zu gewährleisten. Für Betreiber bedeutet das: Bürokratie, Schulungsaufwand und laufende Betriebskosten, die mit dem eigentlichen Schmelzprozess nichts zu tun haben.
FurnaceProtect: Messung durch den Ofendeckel
OndoSense hat mit dem FurnaceProtect ein Messsystem zur Füllstandskontrolle von bis zu 1.600 Grad heißen Aluminium-, Stahl- oder Kupferschmelzen in geschlossenen Öfen entwickelt[1]. Das Prinzip ist so pragmatisch wie wirkungsvoll: Die Füllstandsmessung erfolgt von außen über eine kleine Öffnung von nur ~50 mm im Ofendeckel. Die Radarwellen werden durch das Rohr des Systems geleitet und messen so kontaktlos den Ofenfüllstand. Das Gehäuse ist sowohl von innen als auch von außen gegen die Ofenhitze abgeschirmt. Um maximalen Schutz zu gewährleisten, ist das Radarsystem zudem mit Anschlüssen für eine optionale Luftkühlung ausgestattet.
Das Radarsystem bietet eine Messgenauigkeit von bis zu 0,3 mm - selbst bei Staub, Dampf, Rauch, Vibrationen sowie intensiver Wärmestrahlung[1]. Auch stark schwankende Füllstände während des Schmelzprozesses haben keinen Einfluss auf die Präzision und Verlässlichkeit der Messung. Technisch ermöglicht wird das durch eine einzigartige Kombination aus hoher Messrate (500 Hertz) und smarten Filteralgorithmen, die selbst bei Wellenbewegung, Blasenbildung oder anderen abrupten Füllstandsänderungen stets fehlerfreie, hochgenaue und schnelle Messungen erzielen.
Photo: yasin hemmati / UnsplashDer Messbereich beginnt bei 0,1 Metern und reicht bis 30 Meter[1] - damit deckt das System sowohl kompakte Schmelztiegel als auch großvolumige Industrieöfen ab. Wahlweise ist die Lösung mit einer Profinet-Schnittstelle oder einer analogen Stromschnittstelle (4 bis 20 Milliampere) ausgerüstet. Zudem bietet sie drei digitale Schaltausgänge (PNP/NPN). Die Integration in bestehende Steuerungsarchitekturen ist damit ohne Sonderaufwand möglich.
Kein Strahlenschutz, keine Neukalibrierung
Der entscheidende Vorteil gegenüber radiometrischen Systemen liegt nicht nur in der Messpräzision, sondern im Betriebsaufwand. "Für unser Radarsystem sind weder zeitintensive Nachkalibrierungen je nach Metallart oder Legierung noch Maßnahmen zum Strahlenschutz notwendig. Dies vereinfacht die Inbetriebnahme und senkt Kosten sowie Aufwand in der Wartung und Instandhaltung erheblich", erläutert Co-Geschäftsführer Rainer Waltersbacher.
Das hat konkrete wirtschaftliche Konsequenzen. Radar arbeitet kontaktlos und hat keine beweglichen Teile - das sorgt für hohe Lebensdauer und geringe Ausfallrate. Und: Der Sensor muss in der Regel nicht aktiv gekühlt werden, was die Inbetriebnahme vereinfacht.
| Kriterium | Radiometrisches System | OndoSense FurnaceProtect |
|---|---|---|
| Messprinzip | Gammastrahlung (Cs-137 / Co-60) | Radar (kontaktlos) |
| Strahlenschutzauflagen | Ja – behördliche Genehmigung erforderlich | Nein |
| Kalibrierung je Metallart | Ja – aufwendig | Nein |
| Messgenauigkeit | Abhängig von Wandstärke & Dichte | Bis zu 0,3 mm |
| Messrate | Niedrig | Bis zu 500 Hz |
| Öffnung im Ofendeckel | Nicht erforderlich (Durchstrahlung) | ~50 mm |
| Wartungsaufwand | Hoch (Strahlerschutz, Entsorgung) | Gering (keine beweglichen Teile) |
Energieeffizienz als Nebeneffekt
Mit der OndoSense FurnaceProtect Radarlösung kann der zur Metallschmelzung erforderliche Energiebedarf genauer als bisher erfasst werden: Durch die präzise Füllstandsmessung lässt sich die Metallmenge im Ofen besser abschätzen und damit auch der Energiebedarf genauer ermitteln. Das spart Energiekosten und erlaubt eine bessere Planung des Schmelzprozesses.
Das ist kein marginaler Effekt. In der energieintensiven Metallindustrie, wo Schmelzöfen rund um die Uhr laufen, summieren sich Abweichungen in der Füllstandserfassung direkt zu unnötigem Energieverbrauch. Auch Ofenüberfüllungen mit unnötigem Rohstoffverbrauch, ungeplanten Stillstandzeiten, potenziellen Unfällen und hohen Mehrkosten sind mit präziser Füllstandsmessung vermeidbar - so Waltersbacher. Wer heute unter dem Druck hoher Industriestrompreise produziert, findet hier einen messbaren Hebel.
Die OndoSense Radarlösung ermöglicht es zudem, sicherheitsrelevante Prozesse zu automatisieren, die eine Gefahr für Operatoren darstellen können. Gerade in der Nähe von Schmelzöfen ist das ein nicht zu unterschätzender Aspekt: Manuelle Füllstandskontrollen entfallen, die Exposition der Belegschaft gegenüber Hitze und Dämpfen sinkt.
Hintergrund: OndoSense aus dem Fraunhofer-Umfeld
OndoSense wurde 2018 von zwei Radarexperten des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF gegründet. Das Freiburger Unternehmen hat sich auf hochpräzise Radarsensorik für industrielle Extrembedingungen spezialisiert. Neben der Füllstandsmessung von flüssigem Metall umfasst das Anwendungsspektrum des Sensors unter anderem die Breiten- und Dickenmessung von Metallhalbzeugen im Walzwerk, die Positionierung von Abschlackmaschinen in Chargenöfen und die Positionskontrolle des Stahlbands in der Coating- oder Pickling-Anlage.
Mit dem FurnaceProtect adressiert OndoSense nun gezielt den geschlossenen Schmelzofen - eine Anwendung, die bislang entweder mit radioaktiven Systemen oder gar nicht zuverlässig abgedeckt werden konnte. Mit OndoSense Radarsensoren lässt sich der Füllstand im offenen und geschlossenen Schmelzofen oder Schmelztiegel kontaktlos mit Sub-Millimetergenauigkeit kontrollieren - selbst bei Metalltemperaturen von bis zu 1.600 Grad Celsius. Insbesondere für die Rückgewinnung von Aluminium, Stahl oder Kupfer ist eine kontinuierliche, hochpräzise Füllstandsmessung im Schmelzofen erforderlich.
Für welche Ofentypen ist FurnaceProtect geeignet?
Das System ist für geschlossene Schmelz-, Gieß- und Warmhalteöfen ausgelegt. Es eignet sich für Aluminium-, Stahl- und Kupferschmelzen sowie für Schmelztiegel, -pfannen und Gussformen.
Wie groß muss die Öffnung im Ofendeckel sein?
Es genügt eine Öffnung von rund 50 mm im Ofendeckel. Die Radarwellen werden durch das Rohr des Systems geleitet und messen kontaktlos den Füllstand von außen.
Ist eine aktive Kühlung des Sensors notwendig?
In der Regel nicht. Das Gehäuse ist gegen Ofenhitze abgeschirmt. Für besonders extreme Bedingungen sind Anschlüsse für eine optionale Luftkühlung vorhanden.
Welche Schnittstellen bietet das System?
FurnaceProtect ist wahlweise mit Profinet oder einer analogen 4-bis-20-mA-Schnittstelle ausgestattet. Zusätzlich stehen drei digitale Schaltausgänge (PNP/NPN) zur Verfügung.
Ersetzt das System radiometrische Messverfahren vollständig?
Für die Füllstandsmessung in geschlossenen Metallschmelzöfen bietet FurnaceProtect eine vollwertige Alternative ohne Strahlenschutzauflagen und ohne metallartabhängige Neukalibrierung. Ob ein vollständiger Ersatz möglich ist, hängt von der konkreten Anlagengeometrie ab.
Einordnung
Die Entwicklung von OndoSense ist kein Nischenprodukt für Spezialanwendungen. Schmelzöfen für Aluminium, Stahl und Kupfer sind das Rückgrat der Metallrecyclingwirtschaft - einer Branche, die unter dem Druck steigender Energiekosten, verschärfter Umweltauflagen und wachsender Rohstoffknappheit steht. Wer dort Prozesse präziser steuern kann, gewinnt doppelt: weniger Energieeinsatz, weniger Ausschuss.
Dass eine Radarlösung aus dem Fraunhofer-Umfeld nun den Schritt vom Labor in den Schmelzofen schafft - und dabei radioaktive Systeme mit ihrem behördlichen Aufwand ablöst - ist ein technisch wie wirtschaftlich relevanter Schritt. Für Betreiber lohnt sich ein genauer Blick auf die Integrationsmöglichkeiten in bestehende Steuerungsarchitekturen.
