Füllstandmesstechnik: Grundlagen

Je nach den Prozessanforderungen werden in der Industrie hauptsächlich zwei Arten von Füllstandmesstechniken eingesetzt: kontinuierliche Füllstandsmessung und Grenzstandmessung. Der Unterschied zwischen den beiden Messtechniken besteht darin, dass bei der Grenzstanddetektion die Erkennung mithilfe von Füllstandschaltern erfolgt, die nur das Vorhandensein des Füllstands an einem bestimmten Punkt oder einer bestimmten Position erkennen. Wenn der Sensor das Vorhandensein des Füllstands erkennt, wird ein binärer Schaltausgang ausgelöst.

Bei der kontinuierlichen Füllstandmesstechnik misst ein Füllstandmessgerät ständig den Füllstand in einer Erweiterung in einem Bereich von 0 bis 100 % und liefert einen Analogausgang, der proportional zum gemessenen Füllstand ist.

Normalerweise werden Füllstandschalter als Sicherheitseinrichtungen gegen Überfüllung und als Trockenlaufschutz für Pumpen in Verbindung mit einem kontinuierlichen Füllstandmessgerät eingesetzt, einige einfache Füllstandkontrollanwendungen können jedoch auch mit Füllstandschaltern allein durchgeführt werden.

Abbildung 1 – Kontinuierliche Füllstandmesstechnik und Grenzstanderfassung

Abbildung 2 – Freiraumradar (links) und Radar mit geführten Wellen (rechts)

Radar-Füllstandmessgeräte sind kontinuierliche Füllstandmesser für Flüssigkeiten und körnige Feststoffe, die elektromagnetische Wellen als Messverfahren verwenden. Radar-Füllstandmesser sind für eine Vielzahl von Anwendungen in allen Industriebereichen geeignet. Einige Beispiele sind Pufferbehälter, Flüsse, Meeresspiegel, aggressive Medien, chemische Abfälle, Weinlagerung, Wasser und Abwasser, Kalkmilch, Bitumen, Zement und Durchflussmesstechnik in offenen Kanälen.

Für diese Art von Instrumenten stehen zwei Auswerteverfahren zur Verfügung: Time-of-Flight (Flugzeit) – ToF und Frequency modulated continuous waves (frequenzmodulierte, kontinuierliche Welle) – FMCW. Bei der Time-of-Flight-Methode wird ein elektromagnetischer Impuls vom Messwandler des Geräts ausgesendet, der Impuls durchquert die Luft, wird an der Oberfläche des Mediums reflektiert und kehrt zum Gerät zurück. Der Füllstand kann durch Messung der Zeit, die der Impuls für die Rückkehr zum Gerät benötigt, ermittelt werden.

Bei der FMCW-Methode wird eine kontinuierlich modulierte Frequenz elektromagnetischer Wellen vom Gerät ausgestrahlt, die sich durch die Luft ausbreiten und an der Oberfläche des Mediums reflektiert werden. Änderungen des Füllstands verursachen eine Frequenzverschiebung. Die Differenzfrequenz zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten Signal wird zur Bestimmung des Füllstands verwendet.

Eine andere Art von Radar, die häufig in der Industrie eingesetzt wird, sind Radargeräte mit geführter Welle. Sie verwenden das Time-of-Flight-Messverfahren, aber diesmal werden die Impulse mithilfe einer Metallsonde zur Flüssigkeitsoberfläche geleitet. Dadurch wird das Signal auf eine kleinere Fläche konzentriert, was besonders für Installationen in kleinen Räumen und bei Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätskonstante wie Ölen interessant ist.

Zu den Radar-Füllstandmessgeräten

Vorteile von Radar-Füllstandmessgeräten:

• Radartechnologien können bei Feststoffen und Flüssigkeiten eingesetzt werden
• Die Messung ist von Prozessbedingungen wie Dichte, Temperatur, Druck und Viskosität unabhängig
• Berührungslose Messung, außer bei Radargeräten mit geführter Welle
• Hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit im Vergleich zu anderen Füllstandmesstechniken
• Geeignet für hohe Temperatur- und Druckgrenzen

Einschränkungen von Radar-Füllstandmessgeräten:

• Für eine zuverlässige Messung ist eine Mindest-Dielektrizitätskonstante des Mediums erforderlich
• Starke Turbulenzen auf der Oberfläche des Mediums können die Messung beeinträchtigen
• Interne Strukturen am Behälter wie Rührwerke, Füllstandschalter und Heizschlangen können Störungen verursachen
• Radar mit geführter Welle wird nicht für klebrige Medien empfohlen
• Kostspielig im Vergleich zu anderen Technologien

Ultraschall-Füllstandmessgeräte sind kontinuierliche Füllstandmesser für Flüssigkeiten und Feststoffe, die Ultraschallwellen, d. h. hochfrequente mechanische Wellen, als Messverfahren verwenden. Ultraschall-Füllstandmesser können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, z. B. für die Füllstandmesstechnik in unterirdischen Wassertanks, Öltanks, Teichen und Seen, für die Messung von körnigen Feststoffen in Silos und auf Halden sowie für die Durchflussmesstechnik in offenen Kanälen.

Ultraschall-Füllstandmessgeräte verwenden als Auswertmethode das Time-of-Flight-Prinzip, wie die Radargeräte auch, aber diesmal werden keine elektromagnetischen Wellen, sondern Schallwellen, also mechanische Wellen, verwendet. Das Gerät sendet einen Impuls aus, der sich durch die Luft bewegt, an der Oberfläche des Mediums reflektiert wird und zum Gerät zurückkehrt. Der Füllstand kann durch Messung der Zeit, welche die ausgesendete Schallwelle benötigt, um zum Gerät zurückzukehren, bestimmt werden.

Entdecken Sie Ultraschall-Füllstandmessgeräte

Abbildung 3 – Ultraschall-Füllstandmesser

Vorteile von Ultraschall-Füllstandmessern:

• Berührungslose Messung
• Die Messung ist nicht von der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit abhängig, eine gute Alternative für Öle
• Wird nicht durch Dichteänderungen beeinflusst

Einschränkungen von Ultraschall-Durchflussmessern:

• Nicht für Anwendungen mit Schaum und turbulenter Flüssigkeitsoberfläche empfohlen
• Staub, Dämpfe, Kondensation und Änderungen der Umgebungstemperatur können die Messung beeinflussen.
• Die unregelmäßige Form im Inneren des Gefäßes kann zu Signalverlusten führen
• Nicht nutzbar für Tanks mit Vakuum
• Temperatur- und Druckbeschränkungen im Vergleich zu anderen Technologien

Abbildung 4 – Direktmontage (links), Pegelsonde (rechts)

Drucktransmitter für den Direkteinbau

Ein Relativdruckmessgerät kann im Boden oder seitlich an drucklosen Behältern montiert werden, um den Flüssigkeitsstand zu messen. Der Füllstand ist direkt proportional zum Druck, den die Flüssigkeitssäule über dem Sensor ausübt. Als Faustregel gilt, dass 100 mbar einer Wassersäule von 1 Meter entsprechen. Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass verschiedene Flüssigkeiten unterschiedliche Dichtwerte haben, weshalb das Verhältnis zwischen Druck und Füllstand unterschiedlich sein kann.

Hier finden Sie Relativdruckmessgeräte

Pegelsonden

Wenn es nicht möglich ist, einen Drucktransmitter im Tank oder in einem unterirdischen Reservoir zu installieren, kann eine Pegelsonde, auch bekannt als hydrostatischer Drucktransmitter, nach dem gleichen Messprinzip eingesetzt werden. Der Drucktransmitter befindet sich nun im Inneren des Tanks und ist in die Flüssigkeit eingetaucht.

Zu den hydrostatischen Druckmessgeräten

Bei Druckbehältern ist es zur Messung des Flüssigkeitsfüllstands mit einem Drucktransmitter notwendig, den Behälterkopfdruck zu kompensieren, damit er keinen Einfluss auf die hydrostatische Druckmesstechnik hat. Dies kann mit einem Differenzdrucktransmitter erfolgen.

Der Differenzdrucktransmitter ist so konstruiert, dass er die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten messen kann. Ein Messpunkt befindet sich am Boden des Behälters und misst den hydrostatischen Druck, der zum Kopfdruck hinzugezählt wird, der andere Messpunkt befindet sich oben auf dem Behälter und misst nur den Kopfdruck. Das Gerät kann dann den Kopfdruck kompensieren und liefert als Ergebnis nur den hydrostatischen Druck. Eine andere Lösung für dieses Szenario ist die Verwendung von zwei separaten Relativdruckmessgeräten. Hierbei muss jedoch die Kompensationsberechnung extern in der Steuerungstechnik durchgeführt werden.

Abbildung 5 – Füllstandmesstechnik mit Differenzdrucktransmittern

Vorteile von Füllstandmesstechnik mit Drucktransmittern:

• Einfache und wirtschaftliche Lösung für die Füllstandmesstechnik
• Bekanntes Messverfahren
• Zuverlässige und genaue Messung

Einschränkungen der Füllstandmesstechnik mit Differenzdrucktransmittern:

• Nur anwendbar für Flüssigkeiten
• Temperaturänderungen wirken sich auf die Flüssigkeitsdichte aus, was die Messgenauigkeit beeinflusst
• Bei direktem Kontakt mit dem flüssigen, aggressiven Medium kann zusätzliches Zubehör erforderlich sein, z. B. Dichtungstöpfe
• Nicht empfehlenswert für hochviskose Flüssigkeiten
• Rührwerke können Druckimpulse verursachen, welche die Messung beeinträchtigen

Abbildung 6 – Laser-Füllstandmesser

Vorteile von Laser-Füllstandmessgeräten:

• Enger Abstrahlwinkel
• Der Laserstrahler kann an jeder beliebigen Stelle des Behälterdeckels angebracht werden, auch entlang der Behälterwand
• Es sind sehr hohe Aktualisierungsraten erzielbar
• Lasertechnologien können sowohl bei Feststoffen als auch bei Flüssigkeiten eingesetzt werden
• Die Messung wird nicht von der Materialdichte oder der Dielektrizitätskonstante beeinflusst

Einschränkungen von Laser-Füllstandmessgeräten:

• Aufgewirbelter Staub kann den Laserstrahl beeinträchtigen
• Nicht empfohlen für Anwendungen, bei denen Schaum auftreten kann
• Nicht geeignet für transparente Flüssigkeiten

Kapazitive Füllstandmessgeräte werden für die kontinuierliche Füllstandmesstechnik von Flüssigkeiten verwendet. Da sie im Vergleich zu anderen Technologien einfach, zuverlässig und kostengünstig sind, können kapazitive Füllstandmesser eine gute Lösung für die Füllstandsmessung von Wasser, Ölen und Säuren sein.

Kapazitive Füllstandmessgeräte arbeiten, wie der Name schon sagt, nach dem kapazitiven Prinzip. Die Messsonde und die Behälterwände bilden einen Kondensator, dessen Kapazität sich durch die Veränderung des Füllstands ändert. Die Geräteelektronik kann dann den Kapazitätswert mit dem Flüssigkeitsfüllstand in Verbindung bringen. Wenn der Tank aus einem nicht leitenden Material wie Kunststoff besteht, muss eine Erdungssonde verwendet werden. Einige Modelle kapazitiver Füllstandmessgeräte können zu diesem Zweck eine eingebaute Erdungssonde haben.

Entdecken Sie kapazitive Füllstandmessgeräte

Video 1: Grundlagen der kapazitiven Füllstandmessung (Englisch)

Vorteile von kapazitiven Füllstandmessgeräten:

• Geeignet für leitfähige und nicht leitfähige Flüssigkeiten
• Messung der Flüssigkeitsoberfläche
• Kostengünstige Technologie
• Spezielle Modelle können für klebrige Medien verwendet werden

Einschränkungen von kapazitiven Füllstandmessgeräten:

• Medienberührende Technologie
• Die Installation in Kunststofftanks erfordert eine Erdungssonde
• Änderungen der Dielektrizitätskonstante des Mediums können die Messung beeinflussen

Vorteile von kapazitiven Füllstandschaltern:

• Kapazitive Füllstandschalter sind für Feststoffe und Flüssigkeiten erhältlich
• Kostengünstige Technologie
• Spezielle Modelle können für klebrige Medien verwendet werden

Einschränkungen von kapazitiven Füllstandschaltern:

• Eingreifende Technologie
• Die Installation in Kunststofftanks erfordert eine Erdungssonde
• Für Feststoffe ist eine Mindestdielektrizitätskonstante erforderlich

Video 2: Grundlagen der vibronischen Füllstandsmessung

Vibrationsfüllstandschalter, auch bekannt als vibronische Füllstandschalter, sind Geräte, die zur Grenzstanderfassung von Flüssigkeiten und körnigen Feststoffen eingesetzt werden. Sie sind eine der am häufigsten verwendeten und zuverlässigsten Lösungen für die Grenzstanddetektion in verschiedenen Industriebereichen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der pharmazeutischen, chemischen und petrochemischen Industrie.

Die vibronischen Füllstandschalter funktionieren auf der Grundlage der Resonanzfrequenz einer Stimmgabel. Ein Antrieb regt die Stimmgabel zu ihrer Resonanzfrequenz an. Sobald die Gabel von Flüssigkeit bedeckt wird, dämpft die Flüssigkeit die Schwingung, wodurch sich die Resonanzfrequenz verschiebt. Die Geräteelektronik kann die Frequenzänderung erkennen und somit das Vorhandensein einer Flüssigkeit feststellen.

Bei vibronischen Füllstandschaltern für körnige Feststoffe ist die Funktionsweise sehr ähnlich, allerdings wird hier nicht mehr die Frequenz, sondern die Amplitude der Schwingungen überwacht. Das Vorhandensein von Schüttgut verändert die Amplitude der Schwingungen und wird von der Geräteelektronik erkannt.

Hier finden Sie Vibrationsfüllstandschalter

Vorteile von Vibrationsfüllstandschaltern:

• Die vibronischen Füllstandschalter sind kompakt und einfach zu installieren
• Es ist keine Wartung erforderlich
• Keine Beeinträchtigung durch die Eigenschaften der Flüssigkeit wie Leitfähigkeit, Dichte, Druck und Temperatur
• Geeignet für Anwendungen mit Flüssigkeitsturbulenzen, Schaum oder blasenbildenden Flüssigkeiten
• Beschichtete Optionen für chemische Verträglichkeit

Vorteile von Vibrationsfüllstandschaltern:

• Eingreifende Methode
• Nicht empfohlen für klebrige Medien mit starken Ablagerungen

Konduktive Füllstandschalter werden zur Grenzstanderfassung von Flüssigkeiten eingesetzt und sind eine kostengünstige Methode, insbesondere für einfache Anwendungen, wie z. B. Zweipunkt-Füllstandskontrolle von Wasserzisternen und -reservoirs sowie Trockenlaufschutz von Pumpen.

Kurz gesagt, ein konduktiver Füllstandschalter besteht aus einer Erdungssonde und einer oder mehreren Erkennungssonden. Eine Wechselspannung wird an die Erdungssonde und an die Erkennungssonden angelegt. Sobald die Flüssigkeit sowohl die Erde als auch die Erkennungssonde bedeckt, entsteht ein Stromkreis. Die Geräteelektronik erkennt einen elektrischen Stromfluss in diesem Schaltkreis. somit wird der Füllstand erfasst.

Bei Metallbehältern kann der Behälter selbst als Erdungssonde verwendet werden; in diesem Fall kann ein Füllstandschalter mit einer Sonde eingesetzt werden.

Die Wechselspannung verhindert Korrosion und elektrolytische Beschädigung der Sonden. Die angelegte Spannung ist vollkommen ungefährlich, und bei Berührung der Sonden besteht keine Gefahr eines Stromschlags.

Zu konduktiven Füllstandschaltern

Abbildung 7 – Konduktive Füllstandschalter

Vorteile von konduktiven Füllstandschaltern:

• Einfache und kostengünstige Lösung für die Grenzstanderfassung
• Die Sonde kann je nach Modell auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden
• Mehrere Erfassungspunkte, je nach Modell

Einschränkungen von konduktiven Füllstandschaltern:

• Funktioniert nur mit leitfähigen Flüssigkeiten
• Temperatur- und Druckbegrenzungen

Abbildung 8 – Drehflügelfüllstandschalter

Drehflügelfüllstandschalter sind Füllstandschalter zur Grenzstanderfassung von körnigen Schüttgütern wie z.B. Getreide, Zucker, Kreide, Pulver, Holzspäne und ähnliches. Abhängig von der Dichte des Mediums können verschiedene Flügelausführungen gewählt werden.

Der Drehflügelfüllstandschalter besteht aus einem elektronischen Motor, der den Flügel in eine Drehbewegung versetzt. Sobald der Flügel von Feststoffen bedeckt wird, stoppt der Motor, und die Geräteelektronik kann das Vorhandensein des Füllstands feststellen.

Mehr über die Drehflügelfüllstandschalter

Vorteile von Drehflügelfüllstandschaltern

• Einfache Konstruktion und Funktionsweise
• Geeignet für unterschiedliche Korngrößen und Dichten
• Unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des Materials

Einschränkungen bei Drehflügelfüllstandschaltern

• Nur anwendbar für Feststoffe
• Bewegliche Teile können mit der Zeit verschleißen
• Eingreifende Methode

Füllstandschwimmerschalter gehören zu den einfachsten Methoden zur Messung des Füllstandes von Flüssigkeiten und sind eine sehr kostengünstige Lösung für einfache Anwendungen, wie z. B. die Pumpensteuerung in Wasserzisternen. Füllstandschwimmerschalter können je nach Hersteller und Modell unterschiedliche Konstruktionen und Funktionsprinzipien aufweisen, haben aber alle ein gemeinsames Element: einen Schwimmkörper.

Bei einer der einfachsten Varianten befindet sich in einem Schwimmkörper aus Kunststoff eine frei bewegliche Metallkugel, die das Schließen und Öffnen von elektrischen Kontakten bewirkt. Wenn keine Flüssigkeit vorhanden ist, zeigt der Schwimmer nach unten, wenn Flüssigkeit vorhanden ist, zeigt der Schwimmer nach oben. Die Metallkugel folgt dieser Bewegung und schaltet die elektrischen Kontakte.

Lernen Sie unsere Füllstandschwimmerschalter kennen

Abbildung 9 – Funktionsweise des Füllstandschwimmerschalters

Vorteile von Füllstandschwimmerschaltern:

• Kostengünstige Lösung
• Einfache Installation und Inbetriebnahme
• Basismodelle benötigen keine Spannungsversorgung

Einschränkungen bei Füllstandschwimmerschaltern:

• Eingreifende Methode
• Nur für Flüssigkeiten geeignet
• Normalerweise aus einfachen Materialien hergestellt, die sich mit der Zeit abnutzen oder mit einigen Flüssigkeiten reagieren können.
• Nicht empfohlen für klebrige Medien mit starken Ablagerungen
• Temperatur- und Druckbegrenzungen

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