Füllstandmessung

Bei der Füllstandmessung wird der Füllstand (Standhöhe) von Flüssigkeiten und Schüttgütern in einem Behälter mittels Füllstandsmessgeräten erfasst. Man unterscheidet zwischen der kontinuierlichen Messung mittels Füllstandsensoren und Füllstandgrenzschaltern.

Bei der kontinuierlichen Messung des Füllstandes werden entsprechend der erreichbaren Standhöhe die Messwerte in Prozent oder in Längen-, Volumen- oder Masseneinheiten als Analogsignal oder Digitalwert ausgegeben. Siehe auch: Anzeige (Technik)

Kombination Füllstandanzeige mit Grenzwertgeber

Füllstandgrenzschalter überwachen Grenzstände, zum Beispiel zur Vermeidung von Trockenlauf oder Überfüllung eines Behältnisses. Die Messwertausgabe erfolgt über Relaisausgänge (Schaltkontakte). Werden die Grenzwertgeber in die Seitenwand eines Behälters eingebaut, so müssen ihre Positionen vorher festgelegt werden.

Kombinationsgeräte, bestehend aus kontinuierlicher Messung in Verbindung mit Relais-Einheiten, werden oft dort verwendet, wo aus Sicherheitsgründen (Leckage) eine seitliche Öffnung der Behälter nicht angebracht ist. Der Einbau der Sonden erfolgt von oben. Die Schaltpunkte können auf der Füllstandshöhe entsprechend frei gewählt werden. Es entfällt Planungs- und Montageaufwand.

Füllstandmessungen haben in der Industrie unterschiedliche Aufgaben. Die Auswahl des geeigneten Messverfahrens hängt im Wesentlichen davon ab, ob es sich um Flüssigkeiten oder Schüttgüter handelt. Dabei müssen auch die physikalischen Eigenschaften des Füllgutes, die Betriebsbedingungen wie Ex-Zonen, Explosionsschutz, Überfüllsicherung nach § 19 WHG und die Beschaffenheit des Behälters berücksichtigt werden.

Messsysteme

Mechanische Füllstandmessung

Schwimmer

Schwimmer und Vibrationssensor

Ein Körper mit geringer Dichte schwimmt auf der Flüssigkeit. Die Höhe des Schwimmers wird bestimmt. Dafür kann der Schwimmer an einem Hebel oder dünnen Seil befestigt sein; dadurch wird ein Schalter oder ein Wegaufnehmer, wie z.B. ein Potentiometer, bewegt. Es kann auch ein Schwimmer an einem senkrechten Rohr geführt werden. Die Position des Schwimmers kann dann berührungslos mit einem induktiven Sensor erfasst werden, oder ein am Schwimmer befestigter Magnet kann einen Magnetschalter (Reedkontakt) betätigen oder mit einem magnetostriktiven Sensor erfasst werden.

Vibrationssensoren

Ein Sensor in Form einer Stimmgabel wird auf seiner Resonanzfrequenz zum Vibrieren angeregt. Der Antrieb erfolgt meist piezoelektrisch. Durch das Eintauchen in ein Medium verändert sich die Schwingfrequenz bzw. die Amplitude. Diese Änderung wird ausgewertet und in ein Schaltsignal umgesetzt. Abgleich- und wartungsfreier Betrieb. Für alle Flüssigkeiten, auch bei Ansatzbildung, Turbulenzen oder Luftblasen, unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des Mediums.

Drehflügelschalter

Schüttgut Silo

Die Drehbewegung eines Flügels um eine Achse wird durch Bedecken mit Schüttgut gestoppt; dann schaltet ein Relais (Grenzschalter). Das erforderliche Haltemoment kann durch Veränderung der Flügelgeometrie dem Schüttgut angepasst werden. Das Messverfahren ist unabhängig von Staub und Anbackungen.

Elektromechanische Lotsysteme

Ein mit einem Fühlgewicht beschwertes Messband wird in ein Silo hinab gelassen. Beim Auftreffen des Gewichtes auf der Füllgutoberfläche lässt die Zugkraft am Messband nach, wodurch der Motor umgeschaltet wird. Das Gewicht läuft in die Ausgangslage zurück. Aus der Länge des abgespulten Bandes lässt sich der Füllstand berechnen. Anwendung: Zur kontinuierlichen Messung von Schüttgütern in hohen Silos, unbeeinflusst von starker Staubbildung.^[1]

Druckmessung

Druckmessung sowohl Hydrostatisch als auch Differenzdruck ist unabhängig von Dielektrizitätszahl, Schaum, Turbulenzen und Einbauten wie zum Beispiel: Verstrebungen und Rührwerke.

Hydrostatisch

Einperl-Verfahren

Die hydrostatische Füllstandmessung in offenen Behältern basiert auf der Bestimmung des hydrostatischen Drucks, der durch die Höhe der Flüssigkeitssäule erzeugt wird. Der gemessene Druck ist somit ein direktes Maß für den Füllstand und der Höhe der Flüssigkeit über dem Sensor. Siehe auch: Pneumatische Füllstandmessung

Verdrängungskörperprinzip

Gemessen wird die Gewichtskraft eines über den gesamten Füllstandsbereich einer Flüssigkeit eingetauchten Verdrängungskörpers. Der Verdrängungskörper ist so dimensioniert, dass er bei maximalen Füllstand immer noch schwerer als die entstehende Auftriebskraft ist. Es findet keine Lageänderung wie bei einem Schwimmer statt. Die Aufhängung des Verdrängungskörpers übetragt die Kraft auf ein entsprechendes System, welches daraus ein weiterzuverarbeitendes elektrisches oder auch pneumatisches Signal erzeugt.

Differenzdruck

Vergleich Druckmessung

In geschlossenen, drucküberlagerten Behältern führt der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule zu einer Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz führt zu einer Auslenkung des Messelementes, das dem hydrostatischen Druck proportional ist. Es wird jeweils ein Sensor oberhalb des höchsten Flüssigkeitsspiegels und ein Sensor unten am Behälter installiert und der entsprechenden Auswerteeinheit zugeführt.

Leitfähigkeitsmessung

Messung der elektrischen Leitfähigkeit

Pumpensteuerung Konduktive-Füllstandmessung

Diese Methode ist auch als Konduktivmessung bekannt. Bei Erreichen eines bestimmten Füllstandes wird der elektrische Strom zwischen zwei Elektroden durch die Flüssigkeit geleitet. Dabei ändert sich der Widerstand zwischen zwei Messelektroden durch An- oder Abwesenheit des Mediums.

Durch die Verwendung von Wechselstrom im Messstromkreis werden Korrosion des Sondenstabes und elektrochemische Reaktionen des Füllgutes vermieden. Zur sicheren Messung bei bewegter Flüssigkeitsoberfläche ist oft eine Zeitverzögerung des Ausgangssignals eingebaut. Konduktivsonden mit einer Elektrode können in Metallbehältern als Voll- oder Leermelder eingesetzt werden, mit zwei Elektroden in Metallbehältern als Voll- und Leermelder und mit drei Elektroden als Voll- und Leermelder auch in nichtmetallischen Behältern. Bei Einstabsonden dient die elektrisch leitende Behälterwand als Gegenelektrode.

Leitfähigkeitsmessung ist einfache und preisgünstige Messmethode für leitfähige Flüssigkeiten wie Wasser, Abwasser und flüssige Lebensmittel zur Grenzstanderfassung.

Wärmeleitung

Dieses Messprinzip wird vor allem für flüssiges Helium verwendet. Ein senkrecht gespannter, stromdurchflossener Draht wird in dem Bereich, in dem er in flüssiges Helium eingetaucht ist, supraleitend, darüber wird er durch den Strom aufgewärmt (Joulsche Wärme; bei dieser höheren Temperatur ist der Draht normalleitend. Zum elektrischen Widerstand trägt nur der Teil des Drahtes oberhalb des flüssigen Heliums bei. Durch Messung des Widerstandes lässt sich bestimmen, bis zu welcher Höhe sich flüssiges Helium im Behälter befindet. Der Draht besteht meistens aus einer Niob-Titan-Legierung.

Kapazitive Messung

Kontinuierliche Füllstandsmessung

Bei der kapazitiven Füllstandmessung wird die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Elektroden detektiert, wenn diese von einem Medium umgeben werden. Diese Änderung hängt von der Dielektrizitätskonstante $\epsilon$ (In der Messtechnik auch als DK abgekürzt) des Mediums ab. Ist diese konstant, so kann aus der gemessenen Kapazität darauf geschlossen werden, wie weit die Elektroden in das Medium eintauchen. In diesem Fall kann also nicht nur ein Grenzwertschalter gebaut werden, sondern auch die kontinuierliche Füllhöhe bestimmt werden.

Füllstandsschalter

Bei der Messung mit kapazitiven Schaltern wird eine Änderung der Dielektrizitätskonstante $\epsilon$ detektiert und diese Änderung in ein Schaltsignal überführt. Der Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass das Medium zum Teil hinter Behälterwänden detektiert werden kann. Es ist also keine Bohrung im Behälter notwendig. Die Funktion hängt von dem Verhältnis der Dielektrizitätskonstante des Mediums zur Dielektrizitätskonstante der Behälterwandung ab. Eine typische Paarung ist eine wasserbasierte Flüssigkeit hinter einer Kunststoff- oder Glaswandung.

Schalter mit Frequenzhubtechnologie

Ein Sensor ermittelt die Dielektrizitätskonstante des Mediums. Das Signal kann dann in ein Schaltsignal umgesetzt werden. So können unerwünschte Stoffe, die am Sensor haften ausgeblendet werden. Dies betrifft Anhaftungen an der Sensorspitze, Schäume oder ein beim Füllen vorbeifließendes Medium.

Optische Messung

Optoelektronischer Grenzschalter

Es wird die Absorption des Lichts oder auch das Verschwinden der Totalreflexion detektiert, wenn der Sensor in das Medium eintaucht. Der optoelektronische Füllstandsensor besteht aus einer Infrarot-LED und einen Lichtempfänger. Das Licht der LED wird in ein Prisma an der Spitze des Messaufnehmers gerichtet. Solange die Spitze nicht in Flüssigkeit eingetaucht ist, wird das Licht innerhalb des Prismas zum Empfänger reflektiert. Steigt die Flüssigkeit im Behälter und umschließt die Spitze, wird das Licht durch die Flüssigkeit gebrochen und erreicht nicht mehr oder abgeschwächt den Empfänger. Die Auswerteelektronik setzt diese Veränderung in einen Schaltvorgang um. Problem bei diesem Messverfahren ist die Empfindlichkeit für Verschmutzungen.

Ultraschall

Blockdistanz Ulraschallsensor

Die Messung mit Ultraschall beruht auf einer Laufzeitmessung. Die durch einen Sensor ausgesandten Ultraschall-Impulse werden von der Oberfläche des Mediums reflektiert und wieder vom Sensor erfasst. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil. Dieser Wert wird von der gesamten Standhöhe abgezogen und man erhält daraus den Füllstand. Bedingt durch das Ausschwingverhalten des Sensors gibt es unmittelbar unterhalb des Sensors einen Bereich der Blockdistanz genannt wird, in dem Bereich können keine Impulse empfangen werden. Die sogenannte Blockdistanz bestimmt den minimalen Abstand zwischen dem Messgerät und dem maximalem Füllstand.

Dieses Echolot-Verfahren ist eine berührungslose und wartungsfreie Messung ohne Beeinflussung durch Füllguteigenschaften wie zum Beispiel Dielektrizitätszahl, Leitfähigkeit, Dichte oder Feuchtigkeit.

Neben dieser verbreiteten Ultraschallmessung von oben durch den Gasraum gibt es auch Sensoren, die durch die Behälterwand hindurch von unten den Füllstand messen oder von der Seite als Grenzschalter dienen. Hier wird die Laufzeit im Medium selbst gemessen. Wichtigste Funktionsvoraussetzung dieser Methode ist die Durchschallbarkeit von Wand und Medium. Die Anwendung bleibt daher auf einwandige Behälter mit Flüssigkeiten beschränkt.

Mikrowellen

Mikrowellen Messstelle

Die Messung mit Mikrowellen beruht auf einem Sender-Empfängerprinzip. Von einem Sender ausgesandte Mikrowellenimpulse werden durch ein leeres Silo vom Empfänger registriert, durch ein volles Silo jedoch vom Medium gedämpft. Bei metallischen Behälterwänden müssen Sichtfenster eingebaut werden. Anwendungen: Da die Mikrowellenschranke ein berührungslos detektierendes Verfahren nutzt kann sie sowohl in Behältern, Rohrleitungen, Schächten oder an Freifallschächten montiert werden. Bei nicht metallischen Behältermaterialien ist eine Messung durch den Behälter von außen möglich. Mikrowellenschranken melden Verstopfungen, signalisieren Grenzstände, lösen Positionierungs- und Zählaufgaben, messen berührungslos von außen und sind damit verschleiß- und wartungsfrei. Typische Einsatzgebiete sind z. B. Holzspäne, Papier-, Kartonschnitzel, Kalk, Kies, Sand oder sogar ganze Säcke und Kisten. Prozesstemperaturen und Prozessdruck beliebig bei Direkteinbau sind jedoch die Grenzwerte des jeweiligen Herstellers zu beachten.

Radar

Der Radarsensor arbeitet mit hochfrequenten Radar-Impulsen, die von einer Antenne abgestrahlt und von der Füllgutoberfläche reflektiert werden. Die Laufzeit des reflektierten Radar-Impulses ist direkt proportional zum zurückgelegten Weg. Bei bekannter Behältergeometrie lässt sich daraus der Füllstand berechnen.

Geführtes Radar

Der Radarsensor arbeitet mit hochfrequenten Radar-Impulsen, die entlang einer Sonde geführt werden. Beim Auftreffen der Impulse auf die Medienoberfläche verändert sich der Wellenwiderstand und ein Teil des Sendeimpulses wird reflektiert. Die vom Gerät gemessene und ausgewertete Zeitdauer zwischen dem Senden und dem Empfangen des reflektierten Impulses ist ein direktes Maß für die Distanz zwischen Prozesseinkopplung und der Medienoberfläche. Anwendung ist die wartungsfreie Messung in Flüssigkeiten, auch bei Turbulenzen und Schaum. Die Messung ist unabhängig von Dichte, Temperatur, Leitfähigkeit und Feuchtigkeit und wird durch Dämpfe über der Flüssigkeit nicht beeinflusst.

Radiometrie

Radiometrie Messstelle

Bei der radiometrischen Füllstandmessung wird die Intensität von Gammastrahlen erfasst, welche auf dem Weg von der radioaktiven Quelle zum Detektor das Medium durchdringen.^[2] Eine Gammaquelle, meist Cäsium- oder Kobaltisotop, sendet eine Strahlung aus, die beim Durchdringen von Materialien eine Dämpfung erfährt. Der Messeffekt ergibt sich aus der Absorption der Strahlung durch das zu messende Medium. Öffnen des Behälters oder Einbauten im Behälter sind nicht erforderlich; die Messung erfolgt berührungslos von außen und ist daher für extreme Anwendungen wie zum Beispiel für stark korrosive, aggressive und abrasive Medien geeignet.

Einzelnachweise

1. ↑ Füllstandmessung Schüttgut
2. ↑ cav.de: Radiometrische Füllstandmessung

Literatur

• Ellen Amberger: Füllstandmeßtechnik: Grundlagen und Anwendungsbeispiele, Verlag Moderne Industrie, 1999, ISBN 3-478-93014-6
• Vom Feldgerät zur Automatisierungslösung, Rüdiger Settelmeyer, 2007, ISBN 3-86522-305-2
• A Dictionary of Units of Measurement
• Animation geführtes Radar