Branchenübergreifende Technik: Füllstandmessung

Die Verfahren zur Füllstandbestimmung sind vielfältig, die angebotenen Lösungen ebenso. Überwiegend kennen Verfahrenstechniker und Anlagenbauer nicht alle alternativen Verfahren ¿ und schöpfen die Möglichkeiten nicht aus. Wir stellen die heute zur Verfügung stehenden Methoden vor und zeigen, für welche Zwecke sie geeignet sind.

¿Der Prozess muss wirtschaftlich und sicher fahren!¿ Das ist die Forderung der Industrie an die Hersteller von Mess-, Regel- und Steuertechnik. Aber auch der Umweltschutz gibt den Unternehmen Vorgaben zur Sicherstellung gesunder Lebensbedingungen und nicht zuletzt stellt die Pharma- und Lebensmittel-Industrie hygienische Ansprüche an die Gerätehersteller. Je nach Einsatzzweck muss die Füllstandmesstechnik einzelne, alle oder sogar zusätzliche Anforderungen erfüllen.

Der Füllstand ist definitionsgemäß die Höhe einer zu messenden Oberfläche zu einer Bezugsebene. Man unterschei- det dabei kontinuierliche Messung und Grenzstanderfassung. Die gemessenen Werte werden entweder direkt vor Ort angezeigt oder in übertragbare Signale umgeformt (z.B. 4...20 mA/digitale Protokolle).

Bekannt und bewährt: Vibrationsgrenzschalter für Flüssigkeiten und Schüttgüter

Die Schwinggabel des Sensors vibriert in Eigenresonanz. Bei Bedeckung mit Flüssigkeit verringert sich die Frequenz und diese Änderung bewirkt das Umschalten des Grenzschalters. Dieses Verfahren ist geeignet für die Grenzstanderfassung von Flüssigkeiten. Typische Einsatzbereiche für die flüssige Variante sind kaum zu nennen, da es multiple Möglichkeiten gibt: Von der Überfüllsicherung nach WHG, in der Hochtemperaturversion für die Chemie und mit ¿hygienischem Design¿ für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie.

Analog gilt das Funktionsprinzip für Schüttgüter, nur wird dort die Dämpfung ausgewertet. Das ermöglicht eine sichere Grenzstanderfassung in Schüttgütern wie Pulvern und Granulaten bis zu einer Korngröße £ 10 Millimeter und Temperaturen bis 150 Grad Celsius. Vorteil beider Messverfahren ist die Unempfindlichkeit auch bei Ansatzbildung, wechselnden Medien, Fremdvibrationen, Abrasion und anderen Einflüssen.

TDR-Prinzip: ¿Geführtes Radar¿¿ in Schüttgütern und Flüssigkeiten

Der Sensor wird von oben in das Silo montiert und misst die Laufzeit, die ein Radarimpuls (geführt am Seil) für die Distanz vom Prozessanschluss zur Füllgutoberfläche und zurück benötigt. Die Entfernung zur Füllgutoberfläche ist proportional zur Laufzeit des Impulses. Aus der Laufzeit ergibt sich der Füllstand.

Dieses Messprinzip ist unabhängig von physikalischen Eigenschaften der Schüttgüter wie Feuchtigkeit, Druck und Temperatur und ist für Produkte mit Korngrößen bis etwa 20 Millimeter geeignet, deren Dielektrizitätszahl (DK-Wert) mindestens 1,6 beträgt. Darunter fallen beispielsweise Zement, Kalk, Getreide, Mehl, Futtermittel, Flugasche und Kunststoffpulver. Ein weiterer Vorteil liegt in der Unempfindlichkeit gegenüber starker Staubentwicklung während der Befüllung des Silos.

Die Flüssigkeitsvariante mit massivem Stab aus Edelstahl misst den Füllstand auch in komplizierten Behältergeometrien, bei Schaumbildung und turbulenten Oberflächen in Produkten mit DK-Werten über 1,4 wie Öl, Benzin, Hexan und Toluol.

Mikrowelle: berührungslos mit Radar

Das physikalische Verfahren entspricht dem TDR-Prinzip ¿ allerdings handelt es sich hierbei um eine berührungslose Füllstandmessung. Großer Vorteil des Radarprinzips: Elektromagnetische Wellen benötigen kein Übertragungsmedium, um sich auszubreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist nahezu konstant die Lichtgeschwindigkeit und unabhängig von der Gasphase oberhalb des Mediums. Radar wird vorzugsweise in der chemischen Industrie ¿ unter Berücksichtigung der dort gängigen Ex-Anforderungen ¿ in Flüssigkeiten, Pasten, Schlämmen und auch bei Wechselbefüllung eingesetzt, wo hohe Temperaturen und Drücke üblich sind.

Echomessung ¿ Laufzeitverfahren Ultraschall

Ultraschallgeber sind oberhalb des Füllguts montiert und senden periodisch einen gerichteten Ultraschallimpuls in Richtung Füllgut. Dieser Impuls wird von der Oberfläche des Mediums teilweise oder vollständig reflektiert und vom gleichen Sensor ¿ jetzt als Richtmikrofon arbeitend ¿ empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Zeit zwischen Senden und Empfangen des Impulses (Laufzeit) ist direkt proportional zum Abstand des Sensors zum Füllstand. Für die Messtoleranz ist nicht entscheidend, wie viel Energie zurückkommt sondern nur, dass ein auswertbarer Impuls von der Produktoberfläche empfangen werden kann. Für Flüssigkeitsanwendungen werden eher hochfrequente Ultraschallsensoren (bis 75 Kilohertz) verwendet mit denen man Messtoleranzen bis ±1 Millimeter erreicht, wie sie beispielsweise zur offenen Gerinnemessung benötigt werden. Weitere typische Anwendungen sind alternierende Pumpensteuerung, Rechensteuerung, Lager-, Puffer- und Rührwerksbehälter bis 3 bar Überdruck und Temperaturen bis 95 Grad Celsius. Im Schüttgutbereich werden niederfrequente Sensoren (10 Kilohertz) eingesetzt, die in Silos bis 70 Meter Höhe und Füllguttemperaturen bis 150 Grad Celsius arbeiten. Dieses Messprinzip wird weder von Dichte, Dielektrizitätskonstanten noch von der Feuchtigkeit beeinflusst und ist somit für viele Anwendungen in Flüssigkeiten und Feststoffen geeignet.

Kapazitive Füllstandmessung

Ein Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten Metallplatten. Dieses ¿Bauprinzip¿ nutzt die kapazitive Füllstandmessung im großen Maßstab: Der Kondensator wird von einer Messsonde und der Tank- oder Silowand gebildet, dessen Kapazität vom Medium (Dielektrikum) zwischen Sonde und Wand abhängig ist. Wird ein Teil der Sonde vom Medium bedeckt, kommt es zu einer Kapazitätsveränderung, die in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Idealerweise wird die kontinuierliche kapazitive Füllstandmessung in leitfähigen Medien eingesetzt. Bei Leitfähigkeit >10 mS/cm spielt der DK-Wert keine Rolle. Bei einer Leitfähigkeit

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