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Füllstandmessung

Einführung zum Thema Füllstandsmessung

Die Füllstandmessung ist in vielen Industriezweigen ein integraler Bestandteil der Prozesssteuerung. Die hierzu verwendeten Füllstandsensoren lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen. Sensoren zur punktuellen Füllstandmessung werden verwendet, um den Füllstand eines Behältnisses auf einer gewünschten Höhe zu überwachen. Derartige Sensoren finden meist Verwendung, um einen Alarm auszulösen, sobald der vorgeschriebene Höchstfüllstand überschritten bzw. Mindestfüllstand unterschritten wird. Sensoren zur kontinuierlichen Füllstandmessung hingegen sind anspruchsvoller und erlauben die Füllstandüberwachung über die gesamte Höhe des Behältnisses. Sie ermitteln den Füllstand kontinuierlich innerhalb des gesamten Messbereichs anstatt nur auf einer einzigen vorgegebenen Höhe. Das ausgegebene Analogsignal entspricht dabei direkt dem aktuellen Füllstand des Behältnisses. Zur Einrichtung eines Systems zur Füllstandverwaltung wird das ausgegebene Signal in den Regelkreis der Prozesssteuerung eingebunden und der jeweilige Wert zudem auf einer Anzeige dargestellt.
Tauchheizkörper
Trennschichtfüllstand-Ermittlung

Weitere Informationen über Füllstandmessung

Schwimmerschalter

Bei diesen Sensoren zur punktuellen Füllstandüberwachung bewegt sich ein magnetischer Schwimmer mit dem Flüssigkeitsspiegel nach oben oder unten und betätigt dabei einen hermetisch abgedichteten, in der stationären Komponente des Systems befindlichen Reedschalter. Diese unkomplizierte, wartungsarme Ausführung lässt sich mühelos installieren; minimiert den Einfluss von Erschütterungen, Vibrationen und Druckänderungen und eignet sich zudem für diverse Medien. Der Reedschalter kann als einpoliger Öffner/Schließer (SPST) oder einpoliger Wechsler (SPDT) ausgeführt sein.

Berührungslose Ultraschallsensoren für Füllstandmessungen

Typische Vertreter dieser Sensorgattung bestehen aus einem Signalprozessor für die Analogsignale, dem Mikroprozessor, einem BCD-Schalter zur Bereichseinstellung sowie einem Ausgangstreiber. Zum Abstrahlen des Ultraschallsignals auf die Flüssigkeitsoberfläche werden die Sendesignale zusammen mit einem Taktsignal vom Mikroprozessor über den Signalprozessor an den Sensor geführt. Der Sensor nimmt das von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Signal auf und leitet dieses Signal zurück an den Mikroprozessor, der daraus den Abstand zwischen Sensor und Flüssigkeitsspiegel berechnet. Durch die regelmäßige Aktualisierung der empfangenen Signale kann der Mikroprozessor dann Mittelwerte für den Füllstand bestimmen.

Bei einem Sensor zur kontinuierlichen Füllstandmessung wandelt der Mikroprozessor den gemittelten Wert linear in ein dem Flüssigkeitspegel entsprechendes Analogsignal zwischen 4 und 20 mA um. Kehrt das Echo vom Flüssigkeitsspiegel nicht binnen acht Sekunden zum Sensor zurück, so sinkt das Analogsignal auf einen Wert unter 4 mA ab. Dies signalisiert einen unterschrittenen Mindestfüllstand bzw. ein leeres Rohr. Bei einem Sensor zur punktuellen Füllstandmessung vergleicht der Mikroprozessor den gemittelten Wert mit der Einstellung des BCD-Bereichsschalters und betätigt ein Ausgangsrelais zur Anzeige einer Höchstfüllstandüber- bzw. Mindestfüllstandunterschreitung. Ein Signalverlust von mehr als acht Sekunden hebt die Betätigung des Relais auf und setzt es auf seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die Elektronik sieht eine Verzögerung von einer halben Sekunde vor, um den eventuellen Einfluss von Wirbeln an der Oberfläche der Flüssigkeit zu minimieren.

Berührungsbehaftete Ultraschallaufnehmer für Füllstandmessungen

Ein in derartigen Sensoren integriertes, energiesparendes Ultraschallgerät ermöglicht die punktuelle Messung des Flüssigkeitsspiegels. Da berührungsbehaftete Ultraschallaufnehmer fest installiert sind und über einen eigenen Transistorverstärker verfügen, kommen sie ohne bewegliche Teile und Kalibrierung aus. Zudem sind sie normalerweise mit Anschlüssen für die Stromquelle und externe Steuerungen ausgestattet. Innerhalb des Sensors durchquert das Ultraschallsignal einen 12,7 mm (1/2 Zoll) breiten Spalt. Ist dieser mit Flüssigkeit gefüllt, erfolgt eine entsprechende Betätigung der Relais. Die für die Messung des Flüssigkeitspegels relevante Stelle befindet sich bei horizontal montierten Sensoren auf halber Strecke des Spalts, bei vertikal montierten Sensoren dagegen am oberen Ende des Spalts. Sinkt der Füllstand unter diese relevante Stelle, so schwächt sich das Ultraschallsignal ab, bis das Relais schließlich wieder auf seinen ursprünglichen Zustand zurückgesetzt wird.

Solche Sensoren kommen zur automatischen Betätigung von Pumpen und Magnetventilen sowie zur Ausgabe von Alarmsignalen bei Über-/Unterschreitung festgelegter Grenzfüllstände in Tanks und Rohren zur Anwendung. Zur Befüllung und Entleerung von Tanks sowie zur Dosierung von Flüssigkeiten wären jeweils zwei dieser Sensoren notwendig. Sie eignen sich für die meisten Flüssigkeiten, denn sie sind unempfindlich gegenüber Ablagerungen, Tröpfchen, Schäumen und Dämpfen. Allerdings können Flüssigkeiten mit hohem Luftgehalt sowie solche, bei denen aufgrund ihrer Viskosität eine Verstopfung des Spalts im Sensor möglich ist, Probleme bereiten.

Kapazitive Füllstandsensoren

Wie Ultraschallsensoren eignen sich auch kapazitive Sensoren sowohl zur punktuellen als auch zur kontinuierlichen Füllstandmessung. Bei kapazitiven Sensoren werden mithilfe einer Sonde Schwankungen des Flüssigkeitspegels im Behältnis überwacht. Hierzu erfolgt eine elektronische Auswertung und Umwandlung gemessener Kapazitäts- und Widerstandswerte in analoge Ausgangssignale. Die Sonde sowie die Wand des Behältnisses fungieren hierbei als die beiden Elektroden eines Kondensators, die Flüssigkeit als Dielektrikum. Da das Signal allein auf Füllstandänderungen beruht, haben Materialablagerungen an der Sonde keinerlei Auswirkungen. Behältnisse, die nicht aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, erfordern den Einsatz von zwei Sonden oder einer außen angebrachten Leiste aus leitendem Material.

Die Sonde kann starr oder flexibel ausgeführt sein und der leitende Draht weist häufig eine PTFE-Isolierung auf. Die Verwendung einer Edelstahlsonde bietet die für die Messung bei Flüssigkeiten mit fehlender elektrischer Leitfähigkeit, granulatförmiger Konsistenz oder geringer Permittivität (Permittivitätszahl kleiner als 4) nötige zusätzliche Empfindlichkeit. Flexible Sonden kommen dann zum Zug, wenn nicht genügend Platz für starre Sonden vorhanden ist oder die jeweilige Anwendung extrem lange Sonden erfordert. Starre Sonden bieten den Vorteil höherer Stabilität, insbesondere bei Systemen mit Verwirbelungen, denn Hin- und Herbewegungen einer flexiblen Sonde können zu Signalschwankungen führen.

Wählen Sie die ideale Niveaumesstechnik für Ihre Anwendung aus

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Berührungsloser Ultraschallniveausensor Berührungslose Ultraschallniveausensoren
Die Ultraschallniveausensoren der Serie LVU40 verleihen der kontinuierlichen berührungslosen Füllstandmessung weit mehr Flexibilität. Vielfältige Spannungsversorgungs- und Programmieroptionen, RS-232- oder RS-485-Kommunikation, Kalibrierung per Knopfdruck und temperaturkompensierte Ausgangssignale stehen optional zur Verfügung. Sie bieten über den gesamten Messbereich von 0,3 bis 18,3 m hohe Genauigkeit, nicht zuletzt aufgrund der integrierten Filterung, die falsche Echos infolge peripherer Hindernisse praktisch eliminiert. In Verbindung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder einem Regler der Serie CNi von OMEGA können sie zur punktuellen Füllstandsmessung eingesetzt werden.
Radar-Niveautransmitter Radar-Niveautransmitter
Bei Anwendungen, die eine berührungslose Niveaumessung von Flüssigkeiten erfordern, stellen die kostengünstigen radarbasierten Messaufnehmer der Serie LVRD500 die logische Erweiterung des Sortiments an Ultraschallsensoren dar. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen, in denen Dämpfe, Stäube oder Schäume an der Oberfläche der Flüssigkeit eine Ultraschallmessung verhindern. Ihre Radarsensoren bedienen sich der Mikrowellenpulstechnologie zur Messung des Flüssigkeitspegels über die gesamte Höhe – von der Antennenspitze bis hinab zum Tankboden. Diese moderne Art der Signalverarbeitung auf der Basis der „Echomarkierung“ liefert eine verlässliche kontinuierliche Pulsform unabhängig von den jeweiligen Einsatzbedingungen. Es sind Modelle mit RS-232- und RS-485-Kommunikation erhältlich. Taschen-Infrarotthermometer sind extrem kompakt. Die meisten sind so klein, dass sie bequem in eine Hemdtasche passen.
Schaufelradbasierte Schalter zur Schüttgut-Füllstandüberwachung Schaufelradbasierte Schalter zur Schüttgut-Füllstandüberwachung
Die schaufelradbasierten Füllstandschalter der Serie LVD-800 eignen sich für eine breite Palette granulat-, kugel- und pulverförmiger Medien und basieren auf einer patentierten Magnettechnologie zur Gewährleistung einer ausfallsicheren Überwachung von Sammelbehältern, Fülltrichtern, Silos und sonstigen Behältnissen. Ein integrierter Mikrocontroller mit Selbstdiagnosefunktion überwacht ohne Unterbrechung die Rotation von Welle und Trägerplatte des Elektromotors und reagiert ohne Verzögerung auf die Präsenz eines Mediums sowie mechanisches oder elektrisches Versagen. Die magnetbasierte Sensortechnik umgeht die für optische Systeme typische Verunreinigungsanfälligkeit. Dank der aufschraubbaren Abdeckung erübrigen sich Schraubverbindungen. Zudem verfügt das Gehäuse über zwei Kabeleinführungen sowie bei den meisten Modellen über eine Status-LED. Modelle für den Hochtemperatureinsatz eigenen sich für Temperaturen bis zu 399°C. A ist ein kleiner Infrarotsensor zu einem wirtschaftlichen Preis. Das besondere an diesen Sensoren ist, dass sie keine externe Spannungsversorgung benötigen und das Ausgangssignal eines Thermoelements nachbilden.
Kapazitive Füllstandmesssonde Kapazitive Füllstandmesssonden
Dank ihrer Unempfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen und Drücken sowie zahlreichen korrosiven Medien sind die Füllstandmesssonden der Serien LV3000 und LV4000 für die zuverlässige kontinuierliche Füllstandmessung bei anspruchsvollen Anwendungen prädestiniert. Sie eignen sich für Flüssigkeiten, Pasten und einige Schüttgutarten unabhängig von deren elektrischer Leitfähigkeit, weisen keinerlei bewegliche Teile auf und lassen sich mühelos installieren. Nach der Gleichrichtung und Filterung der Versorgungsspannung, Erzeugung eines Funksignals sowie Berechnung von Stromstärkeänderungen liefert die Elektronik ein zum Füllstand proportionales 2-Draht-Ausgangssignal zwischen 4 und 20 mA. Komfortable Funktionen zur Nullwert- und Spannenanpassung erlauben die Berücksichtigung von Variablen wie etwa Medienart, Behältnisabmessungen, Sondenlänge und Montageposition. Soll die Edelstahlsonde nahe der Wand eines aus leitfähigem Material gefertigten Behältnisses installiert werden, so empfiehlt sich zwecks Vermeidung von Kurzschlüssen ein Modell mit PTFE-Isolierung.

Häufig gestellte Fragen

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Auswahl geeigneter Füllstandsensoren

Stellen Sie sicher, dass folgende wesentliche Fragen geklärt sind, bevor die Auswahl eines Füllstandmessgeräts, eines Reglers oder irgendeiner anderen Füllstandmesseinrichtung erfolgt:
1. Handelt es sich bei dem Medium um eine Flüssigkeit oder um Schüttgut?
2. Welches sind die Temperatur- und Druckbereiche bei der konkreten Anwendung?
3. Soll der Füllstand punktuell oder kontinuierlich gemessen werden?
4. Welches ist der erforderliche Füllstandmessbereich?
5. Ist das Medium, dessen Füllstand gemessen werden soll, elektrisch leitfähig?
6. Lagert bzw. sammelt sich das Medium an Oberflächen an?
7. Entwickeln sich an der Oberfläche der Flüssigkeit Wirbel, Schäume oder Dämpfe?
8. Soll die Füllstandmessung mit oder ohne Berührung zwischen Sensor und Medium erfolgen?
9. Welche Art von Signal soll ausgegeben werden: Analogsignal, Schaltsignal, Digitalwert für Anzeigen usw.?