05.08.2020 | Lesedauer: 11 Minuten | CAPTRON Redaktion
Wirtschaftliche Entscheidungen in der heutigen Industrieautomatisierung hängen von zuverlässigen Messdaten ab, damit entsprechende Managementinformationen zur Verfügung stehen: Dies gilt insbesondere im Bereich der Füllstandsmessung. Daher ist die entsprechende Prozessüberwachung und -steuerung bei Industrieanwendungen ein wichtiges Instrument. Doch welches Messverfahren oder welche Technologie eignet sich am besten für mein Medium?
Der folgende Überblick erläutert unterschiedliche Technologien der Füllstandsmessung von Flüssigkeiten, Schüttgut, Pasten, Klebstoffen und chemisch aggressiven Stoffen, um die Wahl des richtigen Verfahrens zu erleichtern.
Die eingesetzte Technologie für die Füllstandsmessung hängt davon ab, um welche Flüssigkeit oder Material es sich handelt, ob dieses chemisch aggressiv ist und ob eine Einzelmessung oder eine kontinuierliche Messung erforderlich ist. Auch Behältergröße und Betriebsumgebung, wie etwa hohe Temperaturen, spielen eine Rolle.
Bei optischen Füllstandssensoren werden die Eigenschaften von Licht genutzt, um den Füllstand von Flüssigkeiten zu erkennen. Solche Sensoren bestehen aus einem Lichtemitter und einem Fotodetektor, der das reflektierte Licht misst. Wenn eine Flüssigkeit vorhanden ist, wird das Licht entweder gebrochen oder nur ein Teil des Lichts reflektiert, sodass es zu einer entsprechenden Änderung des elektrischen Signals kommt.
Dabei handelt es sich um ein invasives Verfahren, das den Kontakt mit der Flüssigkeit erfordert, das aber eine günstige und praktische Lösung für die Füllstandsmessung und Leckageerkennung bei hohen Temperaturen und hohem Druck ist. Optische Sensoren sind im Allgemeinen nicht sehr genau und funktionieren bei Verschmutzung unter Umständen nicht. Zudem kann es bei optischen Sensoren aufgrund reflektierender Oberflächen oder bewegter Materialien zu Problemen kommen.
Dieses Messprinzip beruht darauf, dass Materialien jeweils unterschiedliche dielektrische Konstanten haben. So messen kapazitive Sensoren im Grunde die Kapazitätsänderung zwischen zwei im Behälter befindlichen Elektroden, wenn der Füllstand steigt oder fällt. Dieses Verfahren eignet sich für Flüssigkeiten und Schüttgut (z. B. Sand oder Kunststoffgranulat) in einer Reihe von Anwendungsszenarien, wie in der chemischen Industrie, für Wasser und Abwasser, in der Lebensmittelbranche, in der pharmazeutischen Industrie und im Maschinenbau. Kapazitive Sensoren sind sehr genau, robust und zuverlässig. Allerdings ist eine gewisse Kalibrierung für das jeweilige Medium erforderlich.
Diese Füllstandssensoren emittieren Ultraschall, sodass sich anhand von Dauer und Stärke der reflektierten Welle die Entfernung zwischen Sensor und Flüssigkeit ermitteln lässt. Dies ist ein genaues, berührungsfreies Verfahren, das nicht von der Art des Messguts beeinträchtigt wird. Allerdings kann diese Technologie teuer sein. Zudem kommt es bei schäumenden Flüssigkeiten und komplexen Behältergeometrien zu Problemen und bei Behältern mit Vakuum funktioniert das Verfahren nicht. Da dieses Messprinzip auf dem Time-of-Flight-Laufzeitverfahren (TOF) basiert, wird der obere Bereich des Behälters nicht erfasst, sodass dieser nicht voll befüllt werden kann. Bei Ultraschallsystemen gibt es unter Umständen Probleme aufgrund der diffusen Reflexion, die an der Oberfläche bewegter Materialien auftritt.
Dieses Messprinzip ist der Ultraschallmessung ähnlich. Allerdings verfügen Radarsensoren über Antennen, die die Signale über eine Mikrowellenfrequenz anstelle von Ultraschall übertragen. Der Füllstand des Messguts ergibt sich aus der Dauer zwischen dem Aussenden des Mikrowellensignals und seinem Echo.
Radarsensoren können sehr genau sein und erfordern keine Kalibrierung. Sie sind jedoch teuer. Bei diesem Messprinzip treten ähnliche Probleme wie bei Ultraschallsensoren auf. Radarsensoren funktionieren jedoch auch in einem Vakuum. Normalerweise werden Radarsensoren für die Messung großer Entfernungen eingesetzt (1 m ... 30/50 m), beispielsweise bei Silos/Getreide.
Dieses Verfahren ist besonders für Flüssigkeiten sowie für pulverförmige und feinkörnige Feststoffe im Bergbau, in der chemischen Industrie und in der Lebensmittelbranche geeignet. Vibrationssensoren verfügen über eine gabelförmige Sonde, die mit der natürlichen Eigenfrequenz schwingt. Eine Frequenzänderung zeigt eine Füllstandsänderung an. Dieses Verfahren ist kostengünstig und kompakt, erfordert jedoch Kontakt mit dem Material. Vibrationssensoren sind im Allgemeinen nicht sehr genau. Mit Vibrationssensoren ist keine kontinuierliche (analoge) Messung möglich und es gibt nur einen Schaltpunkt pro Sensor.
Zwischen den bei dieser Messtechnik eingesetzten Sonden wird zwischen zwei Elektroden eine Spannung angelegt, um die Leitfähigkeit oder den Widerstand zu messen. Solange die Sonde mit Flüssigkeit bedeckt ist, bleibt der Stromkreis geschlossen und es fließt Strom. Sobald die Sonde nicht mehr bedeckt ist, wird der Stromkreis unterbrochen und kann so einen niedrigen oder hohen Füllstand anzeigen. Solche Sensoren sind günstig und invasiv, können jedoch nur bei leitfähigen Flüssigkeiten eingesetzt werden. Außerdem kann die Sonde mit der Zeit korrodieren.
Ein weiterer Sensor zur einfachen Ermittlung eines hohen oder niedrigen Füllstands ist der Schwimmschalter. Dieser steigt oder sinkt mit zunehmenden bzw. abnehmenden Füllstand im Behälter oder Tank. Dieses mechanische Messprinzip erfordert keinerlei Stromversorgung und ist günstig, allerdings sind Schwimmschalter im Vergleich zu anderen Sensoren relativ groß und weniger zuverlässig.
Lastsensoren messen das Gewicht eines Behälters, um den Füllstand zu ermitteln. Dabei werden die Sensoren normalerweise am Träger des Behälters angebracht und messen die von der Masse des Behälters ausgeübte Kraft. Jegliche Gewichtsänderung entspricht einer Füllstandsänderung. Lastsensoren eignen sich für flüssige wie feste Medien, solange das Material eine einheitliche Dichte hat.
Von all den unterschiedlichen Technologien soll hier anhand eines kapazitiven Sensors von CAPTRON nun eines der Messprinzipien näher erläutert werden.
Wie die Abbildung oben zeigt, beruht das Funktionsprinzip der kapazitiven Füllstandsmessung auf der Änderung der Kapazität eines Kondensators. In diesem Beispiel bilden der Sondenstab und die Behälterwand die beiden Elektroden, während das Medium als Dielektrikum fungiert. Die Veränderung der Füllstandshöhe verursacht eine Kapazitätsänderung. Ein leerer Behälter hat eine niedrige, ein gefüllter Behälter eine hohe Kapazität.
Die Auswahlkriterien hängen von zahlreichen Faktoren ab – bei Behältern aus Metall kommen 1-Stabsonden zum Einsatz, während bei Behältern aus Kunststoff Doppelstabsonden oder eine 1-Stabsonde mit Hüllrohr verwendet werden. Die Umgebungsbedingungen, wie Temperaturen über 100 °C, und die erforderliche Schutzart, z. B. IP67, geben den Ausschlag, ob ein externer Verstärker erforderlich ist oder welche Art von Geräteanschluss benötigt wird.
In jeder Branche werden ganz unterschiedliche Anforderungen an Produkte und Materialien gestellt. Deshalb bietet CAPTRON eine Reihe von Sondensystemen, die kombiniert und individuell angepasst werden können. Je nach Anwendung und Art des Behälters können mit den Systemen des Unternehmens Sonden konfiguriert werden, die ganz konkreten Kundenanforderungen entsprechen – bis hin zu einer millimetergenauen Sondenlänge. Sonderanfertigungen sind eine wichtige Überlegung, insbesondere bei unterschiedlichen Behältergrößen.
CAPTRON erfüllt diese Anforderungen und bietet Sonden oder sogar Doppelsonden in der gewünschten Länge und mit Sensoren, die viele unterschiedliche Flüssigkeiten und pulverförmige Stoffe messen. Aufgrund der Werkstoffoptionen kommt es dabei nicht zu einer Korrosion. Sonderanfertigungen werden nach Kundenvorgaben entwickelt, insbesondere die Stablänge kann auf den Zentimeter bestimmt und innerhalb von zwei Wochen geliefert werden. Die Füllstandssensoren von CAPTRON sind äußerst zuverlässig und sehr genau. Es gibt Anlagen, die bereits seit über 20 Jahren in Betrieb sind. CAPTRON übernimmt zudem die genaue Kalibrierung von Sonden im Hinblick auf die Behältergeometrie, das Messgut (DK-Wert) und andere Einflussfaktoren, wie unter anderem Temperatur oder die Bewegung eines Rührwerks.
Zur Auswahl stehen Kompaktsonden mit integrierter Elektronik im Gehäuse oder Sonden mit externen Verstärkern. Der externe Verstärker wird über ein abgeschirmtes, temperaturbeständiges Teflonkabel an der Stabsonde angeschlossen. Aufgrund der räumlichen Trennung von Stabsonde und Verstärker eignen sich diese Sonden für Temperaturen von bis zu 230 °C.
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