Füllstandsmessung: Welche Methode eignet sich am Besten für mein Medium?

Bei der optischen Reflektionsmessung wird die Brechung des Licht am Medium ausgenutzt, um den Füllstand von Flüssigkeiten zu erkennen. Lichtbrechung ist das Phänomen, bei dem Lichtstrahlen ihre Richtung ändern, wenn sie von einem Material in ein anderes eintreten. Dies geschieht, weil die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Materialien unterschiedlich ist. Optische Reflektionssensoren bestehen aus einem Lichtemitter und einem Fotodetektor, der das reflektierte Licht misst. Wenn eine Flüssigkeit vorhanden ist, wird das Licht gebrochen und damit 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, welches aber eine günstige und praktische Lösung für die Füllstandsmessung und Leckage-Erkennung bei hohen Temperaturen und hohem Druck ist. Derartige Sensoren können nur einen bestimmten Füllstand erkennen und sind anfällig gegenüber Verschmutzung.

Diese Füllstandsensoren emittieren Ultraschall, sodass sich anhand der Laufzeit der reflektierten Schallwelle die Entfernung zwischen Sensor und Flüssigkeit ermitteln lässt. Dies ist ein genaues, berührungsfreies Verfahren, das nicht von der Art des Messguts beeinträchtigt wird. Allerdings ist die Füllstandsmessung mittels Ultraschall aufwändig und teuer. Zudem kommt es bei schäumenden Flüssigkeiten und komplexen Behälterformen zu Problemen.

Bei vakuumierten Behältern funktioniert das Verfahren zudem nicht, da sich im luftleeren Raum kein Schall ausbreiten kann. Wie bei allen Messverfahren, die auf dem ToF-Verfahren basieren, gibt es im oberen Bereich des Behälters einen Totbereich, sodass der Behälter nicht 100% voll befüllt werden kann.

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.

Da man pro Sensor nur eine bestimmte Füllhöhe messen kann, werden bei der Messung durch Vibration meist nur diskrete Füllhöhen gemessen, wie z.B. ein bestimmter Grenzstand oder 40%, 60% und 80%. Vibrationssensoren sind darüber hinaus nicht besonders wiederholgenau.

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, da sie verschmutzen und im Behälter hängen bleiben können.

Als Spezialist für Füllstandsmessung nutzt CAPTRON die kapazitive sowie ToF Laser Technologie zur Füllstandsmessung. Wie die Abbildung rechts 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.

Auswahlkriterien für kapazitive Sonden

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.

Sonderanfertigungen nach Kundenvorgaben

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.