Definition Wie geht Füllstandsüberwachung?

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Für Füllstandskontrollen steht vielfältige Sensorik zur Verfügung. Doch welche Technologien gibt es für die Niveaukontrolle insbesondere von Schüttgütern und flüssigen Medien? Wie funktionieren die verschiedenen Methoden und für welche Anwendungen eignen sie sich?

Die Füllstandsmessung bzw. Füllstandskontrolle dient zur Abfrage eines Füllstands von Flüssigkeiten und Schüttgütern in Behältern und Gefäßen wie z. B. Prozess- und Lagertanks, Silos oder offenen Gerinnen. Die bei der Füllstandsabfrage ermittelten Messwerte werden in elektronische Signale gewandelt und an den Regelkreis einer der Prozesssteuerung übergeben.

Kontinuierliche Abfrage oder Ermittlung eines Grenzstands?

Generell kann hierbei zwischen einer

• kontinuierlichen Füllstandsabfrage und der

• Abfrage eines Füllgrenzstandes unterschieden werden.

Bei der kontinuierlichen Füllstandsabfrage wird das Niveau eines Mediums oder Schüttguts permanent, also dauerhaft, ermittelt und die Ergebnisse beispielsweise in Volumen- oder Masseneinheiten als Analogsignal oder Digitalwert ausgegeben. Die kontinuierliche Füllstandsmessung kann somit sicherstellen, dass sich der Füllstand z. B. in einem Tank immer in einem bestimmten, zuvor festgelegten Bereich bewegt.

Die Überwachung eines Füllgrenzstandes bezieht sich hingegen immer auf ein zuvor definiertes Medienniveau, um z. B. eine Überfüllung eines Behälters oder den Trockenlauf von Pumpen zur Medienförderung zu vermeiden. Die Messergebnisse von sogenannten Füllstandgrenzschaltern werden in der Regel von einer Auswerteelektronik als Schaltsignal ausgegeben, um beispielsweise über eine Anlagensteuerung das Nachfüllen eines Behälters zu initiieren.

Kombigerät für die Füllstandskontrolle verfügen über einen Schalt- als auch Analogausgang und können daher sowohl den Füllgrenzstand als auch kontinuierlich ein Füllniveau überwachen.

Berührungslose und medienberührende Füllstandskontrolle

Ein wesentliches Unterscheidungskriterium von Sensoren zur Füllstandskontrolle ist die Einteilung in berührungslose und medienberührende Methoden:

• Medienberührende Verfahren arbeiten u.a. mit Messsonden, die zur Füllstandsabfrage unmittelbar mit einem Schüttgut oder einer Flüssigkeit in Kontakt kommen.

• Berührungslose Verfahren arbeiten hingegen ohne Medienkontakt und daher weitestgehend verschleißfrei. Sie werden bevorzugt dort eingesetzt, wo der Füllstand beispielsweise von besonders aggressiven Medien, Flüssigkeiten mit hohen Temperaturen oder der Füllstand in besonders großen bzw. hohen Behältern wie z. B. Silotanks abgefragt werden muss.

Verfahren für die Füllstands- und Niveaukontrolle

Es gibt eine Fülle an Möglichkeiten und Methoden, um Füllstände oder Medienniveaus abzufragen. Die Auswahl einer geeigneten Lösung hängt in erster Linie von dem zu erfassenden Medium oder auch Material sowie den am Einsatzort vorherrschenden Umgebungsbedingungen ab. Hierzu bieten sich verschiedene und zumeist weit verbreitete Verfahren an, die nach unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten. Sie werden unterteilt in medienberührende Verfahren und berührungslos arbeitende Verfahren.

3D-Radarscanner

Die Umgebung genau im Blick

Medienberührende Verfahren

Nachfolgend werden die Funktionsweisen bzw. Messprinzipien der genannten Verfahren beschrieben und einige Beispiele zu deren Einsatzgebiete gegeben.

– konduktive Füllstandskontrolle

So funktioniert die konduktive Füllstandskontrolle: Die konduktive Füllstandmessung zählt wohl zu den einfachsten Verfahren zur Abfrage von elektrisch leitfähigen Medien auf Wasserbasis. Da sie nach dem Grundprinzip eines offenen bzw. geschlossenen Stromkreises funktioniert, sind für Messungen mehrere Sonden bzw. Elektroden erforderlich, zwischen denen der Widerstand des zu kontrollierenden Mediums gemessen wird.

Hierzu wird ein Füllstandrelais über Signalleitungen mit einer Bezugselektrode und einer Messelektrode bzw. mehreren Messelektroden verbunden. Die von der Elektronik im Sondenrelais erzeugte Wechselspannung liegt zwischen der Bezugselektrode und einer Einzelelektrode oder mehreren Messelektroden an. Sobald das elektrisch leitfähige Medium den Stromkreis zwischen der Einzel- oder den Messelektroden und der Bezugselektrode schließt, fließt ein Wechselstrom und der Relaisausgang schaltet. Die Länge der Einzelelektrode bzw. mehrerer Messelektroden in einem Behälter bestimmt somit das Füllniveau, bei dem ein Schaltsignal ausgegeben wird.

Mögliche Einsatzbereiche konduktiver Füllstandsensorik: In Verbindung mit den Sonden lassen sich die Füllstandrelais durch eine Zweipunktregelung zur Pumpensteuerung oder als Überfüllsicherung bzw. Trockenlaufschutz einsetzen.

Die entscheidenden Vorteile der konduktiven Füllstandskontrolle ergeben sich durch die vergleichsweise einfache Handhabung der entsprechenden Lösungen, die durch die Erfassung von Füll- oder auch Grenzstand vielfältige Einsatzmöglichkeiten zur Abfrage von elektrisch leitfähigen flüssigen, aber auch pastösen Medien auf Wasserbasis bieten.

Drucksensoren

Mehr als nur den Druck erfassen

– kapazitive Füllstandskontrolle

So funktioniert die kapazitive Füllstandskontrolle: Kapazitive Sensoren zur Füllstandskontrolle funktionieren nach dem Prinzip eines Plattenkondensators. Die aktive Fläche der Sensoren besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Elektroden bzw. Feldplatten (aufgeklappter Plattenkondensator), zwischen denen ein elektrisches Feld aufgebaut wird. Die Kapazität eines Kondensators wird u.a. durch die Permittivität des Materials zwischen den Feldplatten beeinflusst (die Permittivität ε gibt in der Elektrodynamik sowie der Elektrostatik die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder an). Demzufolge hängt die Kapazität der Elektrodenanordnung eines kapazitiven Sensors auch von dem Material ab, das sich in seinem elektrischen Feld befindet.

Nähert sich ein Objekt (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 in ein Schaltsignal umgesetzt.

Mögliche Einsatzbereiche kapazitiver Füllstandsensorik: Kapazitiven Füllstandsensoren zeichnen sich zumeist durch eine große Sensorfläche und damit hohe Empfindlichkeit aus. Sie eignen sich u.a. für den Trockenlaufschutz von Pumpen oder zur Überfüllsicherung von Behältern.

Darüber hinaus gibt es Lösungen mit Spezialelektroden, die über eine hohe Ansprechempfindlichkeit und einen großen Einstellbereich für die Justage verfügen. Solche Geräte ermöglichen es, eventuelle Anhaftungen am Sensor, z. B. Rückstände von zähflüssigen oder pastösen Medien, bei der Füllstandsabfrage zu kompensieren. Diese Sensoren eignen sich insbesondere zur Abfrage der Füllhöhe in Behältern z. B. mit Kühl- oder Schmiermitteln für Werkzeuge von Maschinen oder zur Überwachung von Füllständen in Behältern etwa mit Säuren, Ölen, Laugen und Reinigungsmitteln.

Mikrofluidische Sensorik

Präzise Füllstandskontrolle durch kleinste Öffnungen

– hydrostatische Füllstandskontrolle (Seilsonden, Drucksensoren)

So funktioniert die hydrostatische Füllstandskontrolle: Sensoren für die hydrostatische Füllstandsabfrage ermitteln den Füllstand anhand des hydrostatischen Drucks, der durch die Höhe einer Flüssigkeitssäule in einem Behälter auf eine Messmembrane im Gerät einwirkt. Die nachgeschaltete Elektronik wandelt den statischen Druck der Flüssigkeitssäule in ein analoges Messsignal um.

Die Ermittlung des Füllstandes ist hierbei von der spezifischen Dichte eines Mediums und der sogenannten Gravitationskonstante (9,81 m/s²) abhängig. Aufgrund der Gravitation bzw. Erdanziehung nimmt mit steigender Höhe einer Flüssigkeitssäule in einem Behälter der hydrostatische Druck zu.

Die entsprechende Formel lautet:

h = p / ρ x g
(h = Höhe der Flüssigkeitssäule (m), p = hydrostatischer Druck (Pa relativ), ρ = Dichte des Mediums/der Flüssigkeit (kg/m³), g = Schwerkraft/Gravitationskonstante (m/s²)

Für Wasser kann z. B. als Faustformel angenommen werden, dass ein Druck von 100 kPa (= 1 bar) der Füllhöhe einer 10 m Wassersäule entspricht. Diese Faustformel lässt sich dann zur Auswahl bzw. Spezifikation einer für eine bestimmte Anwendung geeigneten Lösung nutzen, wobei hydrostatische Drucksensoren (auch als Seil- oder Pegelsonden bezeichnet) in der Regel auf eine bestimmte Wassersäule und einen spezifischen Druckbereich abgestimmt sind.

So funktionieren Drucksensoren zur Füllstandskontrolle: Neben den beschriebenen Seilsonden als auf Füllstandmessungen spezialisierte Geräte gehören natürlich auch viele Drucksensoren zu den Lösungen, mit denen sich eine hydrostatische Füllstandüberwachung realisieren lässt. Das Funktionsprinzip solcher Sensoren ähnelt dem von Seilsonden und basiert beispielsweise auf einer in der elektronischen Druckmesstechnik weit verbreiteten Membrankonstruktion.

In piezoresistiven Dünn- und Dickfilmsensoren sind hierzu Widerstände auf einer Membrane aufgebracht, deren Werte sich unter einer druckbedingten mechanischen Spannung ändern. Jede Druckmessung ist eine Differenzdruckmessung zwischen den beiden Flächen der Membrane, wobei zwischen Absolut- und Relativdruck unterschieden wird. In den meisten Fällen wird mit solchen Sensoren der Relativdruck eines flüssigen oder gasförmigen Mediums gemessen, und zwar bezogen auf den atmosphärischen Luftdruck.

Drucksensoren werden zur Füllstandsmessung zumeist seitlich im unteren Bereich eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Behälters installiert. Zur Füllstandskontrolle wird der an der Einbaustelle gemessene hydrostatische Druck in die entsprechende Füllhöhe des Behälters umgerechnet.

Maschinensicherheit

Sicheres Radarsystem mit erweitertem Sichtfeld

Mögliche Einsatzbereiche hydrostatischer Füllstandssensorik: Die Einsatzbereiche von hydrostatischen Sensoren erstrecken sich zumeist auf Füllstandsabfragen von flüssigen Medien wie z. B. Wasser, Abwasser und Lösungsmittel.

Da solche Lösungen messtechnisch den statischen Druck ermitteln, lassen sich zudem gelartige oder pastöse Medien, z. B. Ölschlamm oder Fette, abfragen.

Diese Sensoren eignen sich somit für ein breitgefächertes Einsatzfeld und sind in der Regel problemlos zu installieren, da sie einfach in einen Behälter hinabgelassen werden.

Für präzise Füllstandsabfragen wird in der Regel nur ein einziger Sensor und eine Auswerteeinheit benötigt.

– Induktive Füllstandskontrolle

So funktioniert die induktive Füllstandskontrolle: Im Prinzip handelt es sich bei der induktiven Füllstandskontrolle um ein spezialisiertes Verfahren zu Überwachung von Füllständen in sogenannten Rütteltöpfen bzw. Schwingförderern. Lösungen, die nach diesem Verfahren arbeiten, machen es sich zunutze, dass induktive Näherungsschalter auf kurze Distanz alle leitfähigen Metalle erkennen und dabei von anderen Materialien nicht beeinflusst werden.

Die Lösungen bestehen aus einem Halter mit integriertem induktiven Näherungsschalter und einem beweglichen Pendel, in dem sich ein Metallteil zur Abfrage befindet. In seiner Ausgangslage folgt das Pendel der Schwerkraft und hängt demnach senkrecht nach unten. Hierbei hat das im Pendel eingelassene Metallteil Kontakt mit der aktiven Fläche des induktiven Sensors, der daraufhin ein Schaltsignal ausgibt.

Zur Füllstandsabfrage wird das Gerät über einen Schwingförderer angebracht, damit das Pendel in den Behälter hineinragt. Bei eingeschaltetem Förderer bewegt sich das darin befindliche Material durch die Schwingungen in eine bestimmte Richtung. Das Pendel wird hierbei vom Materialstrom mitgeführt, wodurch sich das integrierte Metallteil vom induktiven Sensor wegbewegt, der daraufhin kein Schaltsignal ausgibt. Ist nur noch wenig oder gar kein Material mehr im Schwingförderer, bewegt sich das Pendel in seine senkrechte Ausgangslage zurück. Der induktive Sensor schaltet und kann somit u.a. signalisieren, dass der Förderer mit neuem Material aufgefüllt werden muss.

Definition

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Berührungslose Füllstandsüberwachung

Nachfolgend werden die Funktionsweisen bzw. Messprinzipien der genannten Verfahren beschrieben und einige Beispiele zu deren Einsatzgebiete gegeben.

– optische Füllstandskontrolle

So funktioniert die optische Füllstandskontrolle: Für die optische Füllstandskontrolle bieten sich eine ganze Reihe an unterschiedlichen Lösungen an, zum Beispiel:

• mit sichtbarem Rotlicht oder Infrarotlicht arbeitende Taster

• sehr präzise Lasertaster mit hohen Reichweiten sowie

• Einweg-Lichtschranken

Optische Taster kombinieren Sender und Empfänger in einem Gerät. Das gesendete Licht wird vom abzufragenden Medium oder Material reflektiert und vom Empfänger erfasst, woraufhin im definierten Erfassungsbereich der Schaltausgang des Sensors seinen Zustand ändert. Optische Taster arbeiten berührungslos und zumeist mit Rotlicht, wobei sich für Füllstandsabfragen vor allem Geräte mit Hintergrundausblendung eignen.

Solche Lösungen haben einen genau definierten Tastbereich, innerhalb dessen sie Objekte nahezu unabhängig von deren Oberfläche und Farbe erkennen. Außerhalb des scharf abgegrenzten Messbereichs, also im Hintergrund, werden stattdessen alle Objekte unabhängig von deren Beschaffenheit oder Oberfläche vom Gerät ignoriert.

Der Einsatz von optischen Tastern mit Hintergrundausblendung verfolgt bei Füllstand- abfragen stets das Ziel, ab einem bestimmten Füllniveau ein eindeutiges Schaltsignal zu erhalten. Die Wahl eines geeigneten Tasters hängt daher u.a. von der Art des abzufragenden Mediums bzw. Materials sowie der für eine spezifische Applikation erforderlichen Reichweite des Sensors ab. Welche Lösung sich letztendlich für eine Anwendung als ideal erweist, lässt sich daher nur bei genauerer Betrachtung einer konkreten Aufgabenstellung unter Berücksichtigung aller beeinflussenden Faktoren beurteilen. Im Allgemeinen empfehlen sich im Zusammenhang mit der optischen Füllstandüberwachung aber Geräte mit vergleichsweise hohen Reichweiten.

Stoßen derartige Lösungen hinsichtlich ihrer Reichweiten an Grenzen, können mit Infrarotlicht arbeitenden optischen Taster eine Alternative sein, die weitaus höhere Reichweiten erzielen. Solche Geräte haben mitunter einen relativ großen Lichtfleck und eignen sich daher für Füllstandsabfragen, bei denen z. B. Materialien mit eher unregelmäßigen Oberflächenstrukturen sicher erfasst werden müssen.

Ein Problem bei Schüttgütern kann eine sogenannte Kegelbildung sein, bei der sich das Material beim Befüllen eines Behälters in der Mitte anhäuft. In einem solchen Fall erfasst ein optischer Taster möglicherweise dann einen höheren Punkt eines Materialkegels und schaltet, obwohl in dem Behälter noch nicht die zuvor definierte Füllhöhe erreicht ist.

Lasertaster mit Hintergrundausblendung integrieren ebenfalls Sender sowie Empfänger in einem Gerät und ermöglichen aufgrund des fokussierten Laserlichts besonders präzise Füllstandsabfragen von flüssigen Medien auch aus größeren Entfernungen.

Induktive Taster

Sensoren, die berühren

Für die kontinuierliche optische Füllstandskontrolle über ein Analogsignal empfehlen sich wiederum optische Taster bzw. Lasertaster, deren Funktionsweise auf Triangulation basiert. Hierbei wird der Abstand zu einem Objekt indirekt über den Einfallswinkel des vom Objekt (Medienoberfläche) reflektierten Lichtsignals gemessen und durch die interne Elektronik in ein Messsignal umgewandelt. Dieses Funktionsprinzip ermöglicht eine nahezu farb- und oberflächenunabhängige Entfernungs- und damit Füllstandmessung.

Hochleistungslichtschranken werden im Grunde immer dort eingesetzt, wo andere optische Systeme zur Füllstandüberwachung versagen. Vor allem in Anwendungen mit hoher Staub- und Schmutzbelastung zeigen solche Einweg-Lichtschranken ihre Stärken.

Hochleistungslichtschranken bestehen als dreiteilige Systeme aus einem Sender, Empfänger und einem Verstärker als zentrale Komponente. Die sehr hohen Reichweiten, die solche Systeme erreichen können, werden aber in der Regel nicht ausgeschöpft, sondern die durch die hohe Sendeleistung verfügbaren Leistungsreserven auf kürzeren Distanzen zur hocheffizienten Verschmutzungskompensation genutzt. Hochleistungslichtschranken eignen sich daher vor allem für die Füllstandüberwachung in Anwendungen, in denen eine hohe Staub- bzw. Schmutzbelastung vorherrscht.

Ähnlich wie bei optischen Tastern ist es vor allem von der jeweiligen Anwendung und den dort anzutreffenden Einsatzbedingungen abhängig, welche Systemlösung aus Sender, Empfänger und Verstärker sich letztendlich als Lösung für die Füllstandskontrolle eignet.

Definition

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– Füllstandsüberwachung mit geführter Mikrowelle

So funktioniert die Füllstandsüberwachung mit geführter Mikrowelle: Bei diesem Verfahren werden Mikrowellen durch einen Messstab bzw. eine Sonde eines Sensors geleitet. Bei einem Medienkontakt werden diese Wellen reflektiert. Aus der Laufzeit der Mikrowellen vom Sensor durch den Messstab zur Medienoberfläche und zurück lässt sich der Füllstand errechnen. Das untere Ende einer Sonde bzw. eines Messstabes markiert bei diesem Verfahren gewissermaßen den Nullpunkt der Füllstandmessung.

Füllstandsensoren die nach dieser Methode arbeiten, ermöglichen sehr präzise Messungen ohne vorherigen Medienabgleich, wobei hier sowohl Geräte mit Schalt- als auch Analogausgang zur Verfügung stehen.

Zu den Aufgaben solcher Sensoren gehört u.a. die Füllstand-/Füllgrenzstandabfrage in Behältern mit Ölen, Laugen und Reinigungsmitteln. Darüber hinaus gibt es Lösungen, die ausschließlich auf Medienberührungen an der Messspitze reagieren und sich zur Überwachung von Füllständen in Kunststoff- oder Metallbehältern beispielsweise mit Hydraulikölen, Emulsionen, Pulvern oder Granulaten etc. eignen.

– Füllstandskontrolle mit Ultraschall

So funktioniert die Füllstandskontrolle mit Ultraschall:

Ultraschallsensoren bzw. -taster funktionieren nach dem Echo-Laufzeit-Verfahren. Hierzu sendet der Schallwandler der Sensoren, der gleichzeitig auch Empfänger ist, zyklisch einen hochfrequenten Schallimpuls aus, der von einer Medienoberfläche reflektiert wird. Anhand der Zeit, die der Schallimpuls vom Sensor zu Oberfläche und zurück zum Schallwandler benötigt, wird das Füllstandniveau in einem Behälter ermittelt.

Ultraschallsensoren arbeiten berührungslos und daher verschleißfrei. Sie sind somit u.a. ideal für Füllstandsabfragen von Behältern mit aggressiven Medien. Aufgrund ihrer hohen Reichweiten eignen sie sich zudem für Füllstandmessungen auch aus größeren Entfernungen, z. B. in Silos oder tiefen Tanks. Einsetzbar sind die Sensoren bei allen Medien, die Schall in ausreichender Menge reflektieren können, ganz gleich, ob diese durchsichtig oder undurchsichtig sind. Ultraschallsensoren lassen sich demnach bevorzugt dort einsetzen, wo z. B. hochtransparente Flüssigkeiten abgefragt werden müssen.

Faszination Technik

Mit Schallwellen kleinste 3D-Objekte formen

– Füllstandsabfrage mit Radarsensoren

So erfolgt die Füllstandsabfrage mit Radarsensoren:

Wenn optische Sensoren oder Ultraschallsensoren bei Füllstandskontrollen z. B. aufgrund von störendem Fremdlicht, hohen Temperaturen, Gasen oder Dämpfen, Über- bzw. Unterdruck oder Vakuum sowie Staub und Schmutz nicht die gewünschten Ergebnisse liefern, können Radarsensoren weiterhelfen.

Die berührungslos, und damit ebenfalls verschleißfrei arbeitenden Geräte funktionieren nach dem Laufzeitverfahren. Hierbei sendet der Sensor periodisch ein Radarsignal mit linear auf- sowie absteigender Frequenz und über die Zeit gleichbleibender Änderungsrate aus, das beispielsweise von einem flüssigen Medium reflektiert wird. Über die Laufzeitverschiebung und die Frequenzabweichung des reflektierten Radarsignals kann schließlich der Füllstand in einem Behälter gemessen werden.

Radarsensoren erzielen je nach Gerätetyp sehr hohe Reichweiten und bieten den entscheidenden Vorteil, dass sie auch in Anwendungen z. B. unter Druckbelastung, Gasschichtungen oder Schaumbildung auf flüssigen Medien einsetzbar sind. Selbst Messungen durch Behälterwände, etwa von IBC-Containern, oder Schutzfenster aus Kunststoff sind möglich.

Anbieter von Sensoren für Füllstandsabfragen

• ABB

• ACS

• Afriso

• Balluff

• Bürkert

• Endress + Hauser

• Honeywell

• IFM

• IPF Electronic

• Krohne

• Leuze

• Microsonic

• Pepperl + Fuchs

• Pulsar

• Siap + Micros

• Siemens

• STS

• TDK

• Temposonics

• Turck

• UWT

• Vega

• Wika

• Woerner

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

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