Mikrofluidische Sensorik Präzise Füllstandskontrolle durch kleinste Öffnungen

In automatisierten Abfüll- bzw. Dosierprozessen ist eine zuverlässige Abfrage von Füllständen gefordert. Das Medium als auch das Behältnis selbst stellen Anwender aber immer wieder vor Herausforderungen und auch Fehlschläge. Wie man daraus lernt.

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Ein Chemieunternehmen füllt an einer automatischen Dosierstation Produkte in kleine Glasflaschen ab. Die Flaschen mit Öffnungen in der Größe eines Reagenzglases werden hierzu mit einer Transporteinheit zu einer Dosiereinheit transportiert und dort mit einer exakten Menge einer klaren, transparenten Flüssigkeit befüllt. Die jeweils abgefüllte Produktmenge pro Flasche muss absolut identisch sein. Daher soll jedes Behältnis vor dem Verschließen auf den korrekten Füllstand hin geprüft werden.

Naheliegend, aber keine Lösung

Für diese Aufgabe testete das Unternehmen zunächst eine abdeckungsproportional arbeitende Lichtschranke (Sender-/Empfängersystem) mit linienförmigem Lichtstrahl, die den Füllstand seitlich durch die Glaswand der Flaschen erfassen sollte. Die darin befindliche transparente Flüssigkeit ermöglichte jedoch keine ausreichende Bedämpfung und lieferte daher kein eindeutiges Signal. Lichtbrechungen erschwerten zusätzlich eine zuverlässige Füllstandskontrolle.

Abfrage unabhängig von Medieneigenschaften

Aufgrund der unterschiedlichen Herausforderungen entschied sich das Chemieunternehmen als nächstes für einen Ultraschallsensor. Der Vorteil solcher Geräte: Mit Ultraschall lassen sich u.a. Füllstände in Behältnissen nahezu völlig unabhängig von den spezifischen Medieneigenschaften erfassen. Zur Füllstandskontrolle ist es erforderlich, den Sensor oberhalb der Flaschenöffnung zu positionieren, die in diesem Fall einen Durchmesser von lediglich 10 mm hat.

Doch auch diese Lösung lieferte nicht den gewünschten Erfolg. Der Grund: Ein Ultraschalltaster sendet zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus. Trifft dieser auf ein Objekt, wird er von dessen Oberfläche als Echo in Richtung des Tasters reflektiert. Der im Gerät integrierte Schallwandler übernimmt gleichzeitig die Funktion des Senders und Empfängers.

Nach der Erzeugung des Schallimpulses fungiert der Schallwandler daher für einen kurzen Zeitraum als Empfänger. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in Luft bekannt ist, lässt sich durch die Laufzeitmessung des Impulses vom Senden bis zum Empfang der Abstand einer Objektoberfläche zum Sensor bestimmen. Ausgewertet wird dabei immer das erste Echosignal, also das Signal der Reflexionsfläche, die dem Sensor am nächsten liegt, und das unabhängig davon, ob noch weitere Reflexionssignale von weiter entfernten Flächen empfangen werden. Entscheidend im Zusammenhang mit dem beschriebenen Praxisbeispiel ist die Fläche des Schallwandlers und der Öffnungswinkel der austretenden Schallkeule.

Ergebnis: Fehlschlag

Da Standard-Ultraschalltaster in Abhängigkeit zur Baugröße über Schallwandler mit einer vergleichsweise großen Fläche verfügen, erfasste die hieraus resultierende Schallkeule des eingesetzten Sensors aufgrund ihres großen Öffnungswinkels auch den Rand der engen Flaschenöffnungen. Das vom Flaschenrand erzeugte Echosignal war somit das erste Empfangssignal und wurde zur Abstandsbestimmung herangezogen. Das Ergebnis: Der Ultraschallsensor erfasste lediglich den Abstand vom Sensor bis zum Flaschenrand.

Präzise Kontrolle durch kleine Öffnungen

Wenn auch die Versuche mit dem Standardgerät scheiterten, die Wahl der Technologie wies gleichwohl den richtigen Weg. Schlussendlich wurde ein Ultraschallsensor der Reihe UT12 eingesetzt, der lediglich einen Durchmesser von 12 mm (Länge 70 mm) aufweist. Die Reihe bietet Lösungen mit Schaltausgang zur Positionsabfrage (UT120120) und Varianten mit Analogausgang für abstandsproportionale Messungen (z. B. bei Füllstandsabfragen) wie den UT120020.

Der Schallwandler des UT120020 besitzt einen Öffnungswinkel von nur 6° Grad. Daher ist der Ultraschallsensor mit einem Messbereich von 20 mm bis 200 mm insbesondere für die Füllstandskontrolle von Behältern mit sehr kleinen Öffnungen geeignet.

Ferrofluid-Experiment auf der ISS

Mikrofluidik im Weltraum

In der Abfüllanlage des Chemieunternehmens wurde der UT120020 unmittelbar hinter der Dosiereinheit montiert. Der gewählte Abstand des Sensors zu den Flaschen ermöglicht hierbei eine durchgängig zuverlässige Füllstandskontrolle von oben durch die engen Flaschenöffnungen. Das resultierende füllstandsproportionale Analogsignal des Sensors wird durch die übergeordnete Steuerung ausgewertet. Der Vorteil: Der Referenzwert und die zulässigen Toleranzen für den Füllstand können in der Steuerung flexibel gesetzt werden, sodass sich unterschiedliche Chargen mit abweichenden Füllhöhen produzieren lassen. Flaschen mit einer zu großen oder geringen Füllmenge, werden durch die Anlagesteuerung aus der Produktion ausgeschleust.

An der Dosiereinheit selbst ist außerdem ein UT120120 mit digitalem Schaltausgang zur Anwesenheitskontrolle installiert, um vor dem Abfüllprozess stets sicherzustellen, dass sich auch eine Flasche an der gewünschten Position befindet.

Wenn´s noch enger wird

Für Aufgaben mit noch kleineren Öffnungen verfügt der UT120021 am Sensorkopf über eine sogenannte Schalldüse, die den Ultraschall fokussiert und hierdurch eine nahezu lineare Schallkeule erzeugt, wodurch der Austritts- bzw. Öffnungswinkel des Schalls nochmals reduziert wird. Auf dieses Weise ist es möglich, Füllstände in Behältnissen mit sehr kleinen Öffnungen abzufragen. Die integrierte Schalldüse beeinflusst allerdings auch die Reichweite des Sensors, die dann maximal 82 mm beträgt.

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