Sensorik Verfahren und Lösungen zur Füllstandkontrolle

Ein Gastbeitrag von Christian Fiebach und Martinus Menne* Lesedauer: 7 min |

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Das präzise Überwachen von Füllständen – seien es Schüttgut oder Flüssigkeiten – stellt sich in der Praxis oft als herausfordernde Aufgabe heraus. Worauf es bei der Auswahl eines hierfür geeigneten Sensors ankommt, lesen Sie in diesem Beitrag.

Füllstandüberwachung kann eine zähe Angelegenheit sein, wie hier in einem Vorratsbehälter zur Permanentschmierung von Stanzwerkzeugen. Spezielle Lösungen meistern aber auch solche Herausforderungen.
Füllstandüberwachung kann eine zähe Angelegenheit sein, wie hier in einem Vorratsbehälter zur Permanentschmierung von Stanzwerkzeugen. Spezielle Lösungen meistern aber auch solche Herausforderungen.
(Bild: IPF Electronic)

Viele Industriezweige, die in irgendeiner Form mit flüssigen Medien oder Schüttgütern zu tun haben, müssen Füllstände überwachen und messen. Und nicht immer ist die Aufgabe einfach, die Anforderungen an eine wirklich zuverlässige technische Lösung zu erfüllen.

Die Auswahl eines geeigneten Füllstandsensors hängt in erster Linie von dem zu erfassenden Medium oder auch Material sowie den am Einsatzort vorherrschenden Umgebungsbedingungen ab. Und das kann in der Praxis mitunter zu komplexen Herausforderungen führen. In diesem Zusammenhang bieten sich verschiedenste Verfahren mit zum Teil hochspezialisierter Sensortechnik für die Füllstandkontrolle an, z.B.:

  • Kapazitive Füllstandkontrolle
  • Konduktive Füllstandkontrolle
  • Hydrostatische Füllstandkontrolle
  • Optische Füllstandkontrolle
  • Kalorimetrische Füllstandkontrolle
  • Induktive Füllstandmessung

Füllstandüberwachung mit:

  • geführter Mikrowelle
  • Drucksensoren
  • Ultraschall
  • Radar

Ergänzendes zum Thema

Bei diesem Artikel handelt es sich um den ersten Teil einer vierteiligen Serie über die verschiedenen Verfahren und Lösungen zur Füllstandkontrolle, die vollständig online erscheinen wird.

Obwohl die Liste unvollständig ist, verdeutlicht sie, dass die mögliche Auswahl an Sensorik immens groß ist. Daher lohnt es sich durchaus, näher auf die verschiedensten Messprinzipien einzugehen und u.a. auch Lösungen zu zeigen, die Füllstandabfragen selbst unter erschwerten Bedingungen bewältigen können. In diesem Beitrag wird neben der kapazitiven Füllstandkontrolle auch das kalorimetrische Messprinzip vorgestellt, eine Technologie, die in der Füllstandüberwachung bislang eher weniger bekannt ist.

Bildergalerie

Der Plattenkondensator stand Pate

Kapazitive Sensoren zur Füllstandkontrolle funktionieren nach dem Prinzip eines Plattenkondensators. Die aktive Fläche der Sensoren besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Elektroden bzw. Feldplatten, zwischen denen sich ein elektrisches Feld aufbaut. Die Kapazität eines Kondensators wird u.a. durch die Permittivität des Materials zwischen den Feldplatten beeinflusst. Daher hängt die Kapazität der Elektrodenanordnung eines kapazitiven Sensors auch von dem Material ab, das sich in seinem elektrischen Feld befindet. Nähert sich z. B. ein flüssiges Medium der aktiven Fläche des Sensors, ändert sich das elektrische Feld vor den Elektrodenflächen und damit die Kapazität. Diese Kapazitätsänderung wird über eine Auswerteeinheit als Schaltsignal ausgegeben.

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Die Sensortechnik ist eine Schlüsseltechnologie für das Messen, Steuern und Regeln von mechatronischen Systemen in der Automatisierung. Das Buch „Industriesensorik“ beschreibt anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele. Techniker und Ingenieure finden hierin Ideen und Lösungsansätze für ihre tägliche Arbeit.

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Die Geräte der Reihe FK92E mit medienberührenden Messsonden in verschiedenen Längen sind gewissermaßen die Klassiker unter den kapazitiven Füllstandsensoren von ipf electronic und eignen sich für Medientemperaturen von -25 °C bis 100 °C. Über den Digitalausgang (2 x 100 mA) lassen sich flexibel verschiedene Schaltpunkte setzen, während der Analogausgang (4…20 mA) ein kontinuierliches Füllstandsignal für permanente Abfragen liefert. Diese Sensoren eignen sich vor allem für die in der Praxis weitverbreite Füllstandüberwachung in Vorratsbehältern, z. B. für Kühlemulsionen von Maschinen.

Kolbenform für besonders zähflüssige Medien

Besonders auffällig sind die kapazitiven Füllstandsensoren der Reihe FK92 durch ihr kolbenförmiges Teflongehäuse (anti-elektrostatisch sowie säure- und laugenfest), das selbst bei sehr zähflüssigen Medien ein hervorragendes Abtropfverhalten hat. Die Spezialelektrode im Sensor weist in Bezug zu der aktiven Fläche eines vergleichbaren Gerätes in Baugröße M30 für den nicht-bündigen Einbau eine nahezu doppelt so große Fläche auf, wodurch die Reihe FK92 über eine hohe Ansprechempfindlichkeit und einen großen Einstellbereich verfügt. Die Sensoren sind daher dafür prädestiniert, die Füllhöhe in Behältern z. B. mit Kühl- oder Schmiermitteln für Werkzeuge von Maschinen oder den Füllstand in Behältern etwa mit Säuren, Ölen, Laugen bzw. Reinigungsmitteln zu überwachen.

Thermodynamische Strömungssensoren arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip und können nicht nur den Strömungszustand eines Mediums erfassen, sondern auch den Füllstand. Dennoch werden solche Sensoren für die kalorimetrische Füllstandüberwachung eher selten verwendet, weil die Technologie für dieses Einsatzfeld vielfach kaum bekannt ist.

Strömungssensoren haben einen Messfühler bzw. ein Sensorelement, das von innen heraus um einige Grad Celsius gegenüber dem Medium, in das das Sensorelement hineinragt, aufgeheizt wird. Die im Sensorelement erzeugte Wärme wird durch das Medium abgeführt, wobei dieser Kühleffekt umso stärker ist, je schneller das Medium an dem Sensorelement vorbeiströmt. Die im Sensorelement entstehende Temperatur wird gemessen und mit der ebenfalls erfassten Medientemperatur verglichen. Aus der Temperaturdifferenz lässt sich nun für jedes Medium der Strömungszustand ableiten.

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Alles eine Frage der Interpretation

Diese Funktionsprinzip ermöglicht es aber auch, den Füllstand in einem Behälter zu überwachen, vorausgesetzt das Medium kann genügend Wärme vom Sensorelement aufnehmen. In diesem Fall wird das Sensorelement bei Kontakt mit einem Medium gekühlt, wohingegen dieser Effekt unterbleibt, wenn kein Medienkontakt besteht. Wird demnach ein anstehender Medienfüllstand vom Sensor als Strömung „interpretiert“, liefert er ein Schaltsignal. Sinkt der Füllstand hingegen unterhalb des Sensorelements, dann ist dieses z.B. nur noch von Luft umgeben. Da Luft sehr gute Isolationseigenschaften besitzt, wird weniger Wärme über das Sensorelement abgeführt, was einer „fehlenden Strömung“ gleichkommt. Das Gerät liefert somit kein Schaltsignal.

Für die Füllstandüberkontrolle mit Strömungssensoren kommen sowohl Kompaktgeräte der Reihen SS40, SS41 und SS42 sowie die zweiteiligen Systeme der Reihen SS89 und SS90 von IPF Electronic in Frage. Während die Kompaktgeräte mit Messfühler bereits die Auswerteeinheit integrieren, bestehen die zweiteiligen Systeme aus einem Sensorelement, das in einen zu kontrollierenden Behälter mit einem Medium hineinragt, sowie einem hiervon getrennten Auswertegerät für Einstellungen und die Signalbewertung. Beide Lösungsvarianten bieten für die Füllstandkontrolle einige entscheidende Vorteile.

Robust, temperatur- und druckbeständig

So sind die Kompaktgeräte einfach zu installieren, weil sie alle Funktionen für eine präzise Füllstandabfrage in einem Sensor vereinen. Die zweiteiligen Systeme wiederum lassen sich für Medien mit höheren Temperaturen bis 160 °C einsetzen, da die empfindliche Auswerteelektronik vom eigentlichen Messfühler getrennt ist. Außerdem kann der Sensor, sollte er nach der Montage nicht mehr oder nur schwer für die Parametrierung zugänglich sein, weiterhin über den Anschlussverstärker eingestellt werden.

Strömungssensoren haben einen Messfühler aus Edelstahl V4A und eignen sich für den Einsatz in einer Vielzahl an Medien, die für andere Füllstandsensoren eher problematisch sein können, z. B. Laugen, Öle, leichte Säuren etc. Darüber hinaus halten die Sensoren Drücken bis 100 bar stand und lassen sich daher auch in unter Druck stehenden Behältern einsetzen.

Kapazitive Füllstandkontrolle in rauer Umgebung

Folgendes Applikationsbeispiel veranschaulicht, wie mit einem kapazitiven Füllstandsensor der Füllstand bei aggressiven Umgebungsbedingungen präzise und zuverlässig gemessen werden kann:

Ein auf Stahlprodukte spezialisiertes Unternehmen behandelt u.a. Edelstahldraht in der hauseigenen Beizanlage. Die Abwässer der Beize werden in einer speziellen Anlage neutralisiert und müssen hierzu über einen hohen ph-Wert verfügen, was durch Zugabe von selbst hergestellter Kalkmilch erreicht wird. Der in Pulverform angelieferte Kalk wird in einem Behälter mit Wasser angemischt und zu Kalkmilch aufbereitet. Da das vollautomatisch geschieht, verfügt der Behälter über eine mit der Anlagensteuerung (SPS) verbundene Füllstandkontrolle. Den rauen Einsatzbedingungen hielten die hierfür zunächst eingesetzten Schwimmschalter jedoch auf Dauer nicht stand, da sich auf ihnen immer wieder Kalk ablagerte und die Geräte verklemmte. Zur Reinigung der Schwimmschalter musste der Behälter regelmäßig geöffnet und mitunter auch komplett leergepumpt werden, wobei es zu Produktionsunterbrechungen kam. Darüber hinaus wurden auch die Kabel der Schwimmschalter angegriffen und zersetzt.

Mit dem kapazitiven Füllstandsensor FK92E117 mit M12-Steckverbinder und dem digitalen Messumformer BA960900 zur Signalaufbereitung hatte IPF Electronic schließlich eine technisch robuste sowie zuverlässige Lösung, die den aggressiven Umgebungsbedingungen standhielt und sich überdies einfach in die automatisierte Kalkmilchaufbereitung integrieren ließ. Das Gehäuse des Sensors mit analogem Stromausgang (4…20 mA) sowie konfigurierbarer/programmierbarer Schaltfunktion besteht aus Edelstahl und die Messsonde (Länge 1.100 mm) aus PTFE. Der FK92E117 mit integrierter Auswerteelektronik ist sehr resistent gegenüber Chemikalien. Die Sonde selbst ist für Umgebungstemperaturen von -25 °C bis 100 °C ausgelegt.

Mehrere Aufgaben – eine Lösung

Der Messumformer BA960900 verarbeitet die voreingestellten Stromsignale des Füllstandsensors für die maximalen und minimalen Füllstände und sendet über die Relaisausgänge entsprechenden Signale an die SPS der Kalkmilchaufbereitung. Dem Eingangssignal des Füllstandsensors lassen sich hierbei am Messumformer bis zu vier frei programmierbare Relaisschaltpunkte zuweisen. Hat der Behälter der Kalkmilchaufbereitung bspw. sein Füllstandminimum erreicht, wird über ein Schaltsignal an die SPS die automatische Anmischung neuer Kalkmilch initiiert. Der Sensor überwacht hierbei außerdem die Zugabe der korrekten Wassermenge. Darüber hinaus kontrolliert die Sonde das Füllstandmaximum der Kalkmilch (Überlaufschutz) und dient als Trockenlaufschutz für die im Behälter der Kalkmilchaufbereitung eingesetzten Pumpen.

* * Christian Fiebach, Geschäftsführung IPF Electronic; Martinus Menne, Redaktion für innovative Technik

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