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Klassische und innovative Lösungen in der Füllstandmessung

Klassische und innovative Lösungen in der Füllstandmessung

Damit das Fass nicht überläuft

Geht es um die Füllstandmessung von Flüssigkeiten und Schütt­gütern, hat der Anwender die Qual der Wahl. Er wird keine für alle Fälle und Anwendungen gleichermaßen geeignete Messmethode ­vorfinden. So muss er sich beispielsweise zwischen kontinuierlich arbeitenden Verfahren, die den aktuellen Wert eines Flüssigkeits­pegels ausgeben, oder Grenzstandsensoren entscheiden, die lediglich anzeigen, ob ein bestimmter Flüssigkeitswert über- oder unterschritten wird. Ein weiteres Kriterium ist beispielsweise auch, ob der Füllstand in direktem Medienkontakt oder indirekt ermittelt werden soll, etwa durch eine Behälterwand.

Neben klassischen Verfahren wie z.B. Infrarot-Lichtschranken mit spezieller Wellen­länge, die seit Jahrzehnten ihre Verwendung finden, gibt es eine Reihe von Neu- und Weiterentwicklungen. Sie erschließen die Füllstandmessung von komplexen, schwierigen Medien und bieten zahlreiche Vorteile hinsichtlich der Handhabung. Dieser Artikel beschreibt einige ausgewählte Verfahren.

Bewährte Alleskönner

Kapazitive Sensoren gelten als die Klassiker unter den Füllstandsensoren. Sie haben den Ruf, unter den Grenzschaltern wahre Alleskönner zu sein. Mit ihnen kann man in direktem Medienkontakt oder durch nur wenige Millimeter dicke, nicht metallische Behälterwandungen, etwa aus Kunststoff oder Glas, Füllstände von Flüssigkeiten erfassen.

Konventionelle kapazitive Sensoren haben jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Wer schon einmal versucht hat, mit einem herkömmlichen kapazitiven Sensor die Füllstände von stark schäumenden Flüssigkeiten wie etwa Shampoo zu erfassen, weiß, wie schwierig dies ist. Auch Flüssigkeitsfilme, Verschmutzungen oder Anhaftungen auf Sensorhöhe an der Behälterinnenwand führen regelmäßig zu Fehlschaltungen. Eine exakte Bestimmung der Füllstandhöhe ist so kaum möglich.

Newcomer für schwierige Medien

Diese Probleme kennen neue Füllstandmelder in der von Balluff patentierten Smartlevel-Technologie nicht. Die selbst kompensierenden Sensoren erkennen zuverlässig alle Flüssigkeiten mit Dipoleigenschaften, z.B. wässrige Lösungen, Säuren und Laugen. Eingesetzt werden sie bei Tauchapplikationen und Füllstanderkennungen durch nichtmetallische Wandungen mit einer maximalen Dicke von 10mm. Betauungseffekte an der Behälter­innen- und Außenwandung beeinflussen die Zuverlässigkeit der Messung nicht. Auch Anhaftungen, Verschmutzungen und Flüssigkeits­filme oder Schaumbildungen werden zuverlässig ausgeblendet. Dies führt erstmals zu einer fehlerfreien Füllstandkontrolle.

Magnetostriktive Füllstandsonden

Für die Prozesstechnik interessant sind auch Füllstandsonden, die mit der Micropulse-Technologie arbeiten, einem absoluten und berührungslosen magnetostriktiven Messverfahren. Sie stehen seit Jahren für hohe Zuverlässigkeit und eine Genauigkeit, die weit über den Praxisanforderungen liegt. Das Besondere: Das Funktionsprinzip der Magnetostriktion erlaubt es, sie in hermetisch dichte und bis zu mehrere 100 bar druckfeste Gehäuse einzubauen. Die aktuelle Positions­information wird über Magnetfelder von Permanentmagneten, die als Positionsgeber dienen und in Schwimmer integriert sind, berührungslos durch die Gehäusewand in das Innere des Sensors übertragen. Klassisch eingesetzt wurden sie ursprünglich zur indirekten Füllstandmessung in der Bauform Profil als Bypasslösung, beispielsweise an einem metallenen Tank. In der Bauform Stab machen sie aber auch inzwischen Karriere bei der Füllstandmessung im direkten Medienkontakt. Ein Einbau in einen Tank ist dann wahlweise von unten und oben möglich.

ATEX-konform oder hygienetauglich

Für jedes Einsatzgebiet findet sich die entsprechende Variante des Sensors. Die Ausführungen für den Lebensmittelbereich beispielsweise erfordern kontinuierliches, prä­zises Messen in Applikationen, in denen ­äußerste Hygiene notwendig ist. In Edelstahl gefertigt, bringt er alle Voraussetzungen mit, die strengen Auflagen der Lebensmittel-, Getränke-, Pharma- und Kosmetikindustrie einfach umzusetzen. Er eignet sich für Prozesstemperaturen von bis zu 130°C (Sterilisation in Place) und ist auch im eingebauten Zustand leicht zu reinigen (Clean in Place – CIP) und verfügt auch über die 3A-Zulassung für den amerikanischen Markt.

Eine weitere Variante mit ATEX-100a-Zerti­fikat kann in explosionsgefährdeten Bereichen, etwa in einer Tankanlage, eingesetzt werden. Dazu wird er beispielsweise dann so montiert, dass der Messstab in die Zone 0, also den explosionsgefährdeten Bereich ragt, während die druckgekapselte Auswerteelektronik hinter einer Trennstelle montiert ist.

Unabhängig von Farbe und Oberfläche

Eine andere interessante Gruppe von Füllstandmeldern sind Ultraschallsensoren. Sie arbeiten unabhängig von Farbe und Ober­flächenbeschaffenheit und erkennen selbst absolut transparente Objekte sowie stark ­reflektierende Objekte. Lediglich bei stark schäumenden Medien müssen sie passen.

Da Ultraschallsensoren die Entfernung zum Objekt über eine Schalllaufzeitmessung bestimmen – gemessen wird die Strecke bis zur Grenzschicht Luft/Flüssigkeit bzw. Luft/Festkörper –, bieten sie eine millimetergenaue Auflösung und dies bei hervorragender Hintergrundausblendung. Das funktioniert sowohl im Großmaßstab etwa bei Tanks oder in winzigen Reaktionsgefäßen in der kleinen Prozesstechnik. Dabei erstreckt sich ihr Erfassungsbereich je nach Ausführung von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern. Verfügbar sind Ultraschallsensoren in vielerlei Bauformen mit unterschiedlichen Ausgangsvarianten, was eine Anpassung an die jeweilige Applikation ermöglicht.

Hydrostatische Füllstandtechnik

Eine interessante Methode, um Füllstand­höhen indirekt zu erfassen, ist die hydrostatische Füllstandtechnik. Bei diesem Verfahren wird der hydrostatische Teildruck einer Flüssigkeit gemessen, also der Druck, den eine Flüssigkeitssäule am unteren Ende eines Behälters aufbaut. Dies funktioniert mit einem Druckaufnehmer sogar bei extremen Füllständen wie etwa bei Stauseen. Besondere Vorkehrungen sind dafür nicht zu treffen.

Mit Sonar durch Metallwandungen schauen

Eine besondere Variante der Ultraschallsensoren sind die neuen Sonarsensoren, denn sie können Füllstände ohne Eingriff in eine Anlage und ohne Medienkontakt durch eine Edelstahlwand erfassen. Am Boden eines Edelstahltanks montiert, koppeln sie einen hochfrequenten Schallimpuls in die Behälterwandung ein. Gemessen wird dann die Schalllaufzeit, die durch die Art der Flüssigkeit und ihren Flüssigkeitspegel beeinflusst wird. Das Verfahren ist für Lagertanks mit eher gemächlichen Veränderungen des Füllstands optimiert und wird z.B. in Pharma­tanks bis 1m Höhe eingesetzt.

C&M 2 / 2015

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 2 / 2015.
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