Die Fülle der heute angebotenen Füllstandmessoptionen kann es selbst erfahrenen Ingenieuren schwer machen, durch die Statistiken zu navigieren und die am besten geeigneten Lösungen zu spezifizieren. Hier kehrt Charlie Sorbo, Füllstandproduktmanager von Gems Sensors & Controls, zu den Grundlagen zurück und erläutert die entscheidenden Faktoren, die bei der Planung im Bereich Füllstandmessung und -regelung zu berücksichtigen sind.
Der allgegenwärtige Bedarf an der Optimierung von Industrieanlagen und der Minimierung des Wartungsaufwands wird zunehmend durch die Spezifikation von Komponenten erfüllt, die technische Anlagen schützen und regeln können. Die Füllstandmessung ist deshalb eine Grundvoraussetzung vieler Industrie- und Prozessanwendungen. Das Messverfahren ist im Prinzip einfach; in der Praxis sind die angewandten Techniken und Instrumente in den letzten Jahren jedoch zunehmend komplexer geworden, da sowohl Erstausrüster als auch Endkunden stetig höhere Zuverlässigkeit, niedrigere Wartungskosten und erheblich höhere Präzision - häufig im Mikrometerbereich - fordern. Mit dem Angebot von kompakten Abmessungen, Verschleißfestigkeit und niedrigen Kosten haben Konstrukteure und Ingenieure eine neue Generation von Füllstandsensoren realisiert, die ideal für eine Vielzahl von Sensorfunktionen in vielen Anwendungen geeignet sind und Erstausrüstern die Möglichkeit bieten, ihre Betriebsabläufe mit messbaren, positiven Ergebnissen zu optimieren.
Messverfahren
Heute ist eine Flut von Füllstandmessoptionen erhältlich, die selbst dem erfahrensten Ingenieur die Wahl des besten Produkts für eine gegebene Anwendung erschwert, und allzu oft werden die Grundprinzipien von den Leistungsstatistiken der jeweils neuesten Produkte oder Technologien überschattet.
Bei der Spezifikation und Installation von Komponenten für die Füllstandmessung lohnt es sich, sich die Grundlagen ins Gedächtnis zu rufen und die entscheidenden Faktoren in den Fokus zu rücken - Betriebsumgebung, Konstruktionsmaterial, Leistungsanforderungen usw. Im Anschluss daran können wir einige der neuesten Fortschritte in den Bereichen Messung, Überwachung und Regelung betrachten und aufzeigen, wie sie Ingenieuren helfen, die Effizienz von Industrie- und Prozessabläufen zu steigern.
Im Verlauf der letzten Jahre kam eine Reihe von Füllstandmessverfahren zum Einsatz, unter anderem die kapazitive, konduktive, hydrostatische und Ultraschallmessung. Es ist hilfreich, die von jedem dieser Verfahren gebotenen Vorteile zu erwägen und so ein besseres Verständnis der Füllstandmessung und der Fragestellungen bei der Wahl geeigneter Lösungen zu schaffen.
Kapazitive Füllstandmessung
Das HF-Kapazitätsverfahren wurde für das Detektieren von Flüssigkeitspegeln und schwieriger messbaren Medien wie zum Beispiel Schlämmen entwickelt. Dieses Verfahren arbeitet nach dem Prinzip, dass eine elektrische Kapazität (die Fähigkeit, eine elektrische Ladung speichern zu können) zwischen zwei voneinander getrennten Leitern vorhanden ist und diese Kapazität sich ändert, wenn ein nicht leitfähiges Material, das gemessen wird, in den Raum zwischen den Leitern eingebracht wird. Beispielweise kann eine leitfähige Sensorelektrode in einen Metalltank gesenkt und als einer der beiden Leiter verwendet werden, während die Tankwand als der andere Leiter dient. Wenn der Tank leer ist, enthält der Raum zwischen den beiden Leitern nur Luft; wenn der Tank voll ist, enthält der Raum zwischen den beiden Leitern die zu messende Prozessflüssigkeit. Während der Füllstand der Prozessflüssigkeit steigt, wird eine größere Fläche der eingetauchten Elektrode abgedeckt, wobei die Änderung der Kapazität zwischen den beiden Leitern gemessen und an einen außen am Tank angebrachten HF-Füllstandsender übertragen wird, so dass eine direkte Messung des Tankfüllstands möglich ist.
Ein offensichtlicher Nachteil dieses Füllstandmessverfahrens ist, dass sich in bestimmten Anwendungen stetig Prozessmaterial auf der Füllstandsonde ablagert. Dies kann in erheblichen Messfehlern resultieren, da die Sensorelektrode aufgrund der Ablagerungen eine höhere Kapazität misst und deshalb einen höheren und inkorrekten Prozessmaterialfüllstand im Tank meldet. Wie wir später bei der Betrachtung neuerer Entwicklungen in der Sensortechnik sehen werden, kann ein Kapazitätssensor zunächst durchaus gut für die Messung des Füllstands einer Prozessflüssigkeit wie etwa eines Kühlmittels geeignet sein, sich aber nach der Einführung eines neuen Kühlmittels als ungeeignet erweisen.
Konduktive Füllstandmessung
Bei der konduktiven Füllstandmessung werden zwei Sonden zum Ermitteln des maximalen und minimalen Tankfüllstands verwendet. Im Gegensatz zur kapazitiven Messung sind die Auswirkungen von Ablagerungen auf der Sonde vernachlässigbar. Hier erfolgt die Füllstandmessung mittels der elektrischen Leitfähigkeit des Prozessmaterials, typischerweise einer Flüssigkeit in Verbindung mit einer Niederspannungsstromquelle. Dieser Ansatz resultiert in einem einfachen, mit relativ niedrigen Kosten verbundenen Verfahren für die Füllstanderkennung und -regelung. In einem Flüssigkeitstank werden Sensoren an hoch und niedrig gelegenen Punkten im Tank zum Erkennen des maximalen und minimalen Füllstands positioniert. Wenn der Füllstand des Prozessmaterials steigt und die obere Sonde erreicht, schließt ein Schalter und aktiviert eine Förderpumpe; wenn der Füllstand des Prozessmaterials die untere Sonde erreicht, öffnet der Schalter und stoppt die Pumpe.
Hydrostatische Füllstandmessung
Bei der hydrostatischen Füllstandmessung wird der von einer Flüssigkeitssäule ausgeübte Druck gemessen. Dabei muss jedoch die variable Dichte der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur systemintern kompensiert werden. Hydrostatische Tankmesssysteme werden zur Ermittlung genauer Tankfüllstanddaten sowie zur Ermittlung der Masse, Dichte und des Volumens des Tankinhalts eingesetzt.
Ultraschall-Füllstandmessung
Ultraschall bietet eine weitere Lösung für die Füllstandmessung; in diesem Fall anhand der Verwendung eines oben am Tank montierten Messumwandlers, der Schallwellen nach unten in das Material sendet, um seinen Pegel zu messen. Echos dieser Wellen kehren zum Messumwandler zurück, der anhand des von den Wellen zurückgelegten Wegs den Füllstand berechnet. Wie die hydrostatische Messung erfordert auch dieses Verfahren eine systeminterne Kompensation, in diesem Fall, weil die Geschwindigkeit, mit der Schall ein Medium durchdringt, abhängig von der Temperatur variiert. Selbst wenn diese Kompensation mittels eines zusätzlichen Temperatursensors erfolgt, kommt Ultraschall in bestimmten Anwendungen aufgrund der Schallabsorption durch Oberflächenschaum und der daraus resultierenden Messunzuverlässigkeit nicht als geeignetes Verfahren in Betracht.
Elektro-optische Sensoren
Elektro-optische Sensoren bieten gegenwärtig ein leistungsfähiges Verfahren für die Füllstandmessung. Der Sensor ist sowohl mit einer Infrarot-LED als auch einem Lichtempfänger ausgestattet. Infrarotlicht von der LED wird in ein Prisma an der Sensorspitze gestrahlt. Wenn keine Flüssigkeit vorhanden ist, wird das Licht im Prisma zum Empfänger reflektiert; wenn der Flüssigkeitspegel im Behälter steigt, wird das Prisma in die Flüssigkeit eingetaucht und das von der Infrarot-LED ausgestrahlte Licht in der Flüssigkeit gebrochen. An diesem Punkt kann das Licht den Empfänger nicht mehr erreichen und der Empfänger aktiviert eine Schaltelektronik, die wiederum einen externen Alarm oder Steuerkreis aktiviert. Gems Sensors & Controls bietet einen kompakten, verschleißfesten und preisgünstigen, elektro-optischen Füllstandsensor für Flüssigkeitspegelanwendungen an. Der ELS 950M ist in einem breiten Spektrum von Industrien und auch in harschen Umgebungen einsetzbar, da sein Messinggehäuse, eine vergossene Elektronik, TPE-isolierte Kabel und eine O-Ringdichtung aus Fluorocarbon eine widerstandsfähige, luft- und wasserdichte Baugruppe bilden. Der Sensor hält Temperaturen von -40°C bis +110°C stand und ist deshalb für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet.
Die robuste Konstruktion von Komponenten wie dem ELS 950M, gekoppelt mit der von ihnen gebotenen hohen Leistung und Zuverlässigkeit, hat die präzise Füllstandmessung in einem breiten Industriespektrum sowie das Angebot leistungsstarker, wirtschaftlicher Lösungen für Endanwender und Betriebsleiter in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen ermöglicht. Beispielsweise haben Umweltschutzbemühungen zum Einsatz neuer Kühlmittel in geländegängigen Fahrzeugen geführt, was einen Leistungsverlust vorhandener Sensoren und die Entwicklung neuer, entsprechend optimierter Komponenten zur Folge hatte. Ein moderner Solid-State-Flüssigkeitspegelsensor ohne bewegliche Teile kann hier dieselbe Aufgabe wie ein kapazitiver Sensor ohne den Leistungsverlust erfüllen, der auftritt, wenn sich neue Kühlmittelarten auf einem kapazitiver Sensor ablagern und die Meldung falscher Messwerte verursachen. Ingenieure, die sich von einem auf Füllstand- und Durchflussmessungskomponenten spezialisierten Anbieter beraten lassen, können neueste Entwicklungen in der Sensortechnik wie diese nutzen und so dem konstanten Bedarf an höherer Effizienz gerecht werden. Ein weiteres Beispiel der bei Füllstandsensoren erreichten Leistungssteigerung sind die jetzt auf dem Markt erhältlichen Komponenten für den Einsatz bei extremen Temperaturen von -40°C bis +125°C in der Schutzklasse IP66 und höher, die selbst unter extremen Umgebungsbedingungen einsetzbar sind.
Auch Durchflusssensoren wurden für hohe Leistung bei gleichzeitiger Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen ausgelegt. Dialysegeräte müssen regelmäßig bei extrem hohen Temperaturen sterilisiert werden. Jede Störung dieses entscheidenden Prozesses kann Unannehmlichkeiten, Verzögerungen und Enttäuschungen für Patienten mit sich bringen. Die Konstrukteure von Durchflusssensoren haben die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls jedoch mit ultrakompakten Durchflussschaltern minimiert, die unanfällig gegen hohe Temperaturen sind. Während das langsame Ansprechen früherer Sensoren ein unnötiges Abschalten des Systems verursachte, sind die neuesten Durchflusssensoren für diesen Anwendungsbereich mit einem Magnetkolben ausgestattet, der von der durchfließenden Flüssigkeit verdrängt wird und magnetisch einen hermetisch in der Einheit verkappselten Reedschalter betätigt.
Und das sind noch lange nicht alle Innovationen; beispielsweise haben die Konstrukteure von Füllstandmesskomponenten mit kontaktlosen, selbsthaftenden Flüssigkeitstandsensoren, die keinen Kontakt mit der Prozessflüssigkeit erfordern, hygienische Lösungen für häufige Problemstellungen erarbeitet. Der preisgekrönte ExOsense™ Flüssigkeitsfüllstandsensor von Gems Sensors & Controls lässt sich an der Außenfläche eines Kunststofftanks oder -behälters befestigen und erkennt das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit von Flüssigkeit auf der ihm gegenüberliegenden Seite. Der Endanwender muss nur noch die Schutzfolie von der selbsthaftenden Scheibe abziehen und den Sensor am Behälter anbringen, um im Handumdrehen eine kontaktlose Sensorlösung ohne jede Gefahr einer Flüssigkeitskontaminierung zu realisieren - eine weitere einfache und wirksame Lösung für den Einsatz in OEM-Flüssigkeitsstandanwendungen.
Die Konstrukteure und Entwickler heutiger Füllstand- und Durchflussmesskomponenten setzen seit langem ihre technischen Fachkenntnisse in Form zunehmend leistungsfähigerer Lösungen um, die OEMs erhebliche Vorteile bei der Schaffung anwendungsspezifischer flüssigkeitstechnischer Systeme bieten. Im Zuge dieser kontinuierlichen Weiterentwicklung haben Sensorhersteller bereits viele der Probleme bewältigt, die sich einer Reihe von Anwendungen stellen, und immer mehr Produktlösungen für diese Probleme sind mittlerweile als 'Standardprodukte' erhältlich. Die Marktführer stehen immer gerne mit persönlicher Beratung und technischem Support bereit, wenn Systeme nach spezifischen Kundenerfordernissen ausgelegt werden müssen. In vielen Fällen lässt sich durch die Nutzung dieser 'Standard'-Lösungen jedoch viel Zeit und Geld sparen.
Spezifikation
Wenngleich alle diese Innovationen ein enormes Potential bieten, müssen Sie zur optimalen Nutzung jeder Komponente sicherstellen, dass die richtige Spezifikation für Ihre betrieblichen Erfordernisse erfolgt. Beim Spezifizieren einer Füllstandmesslösung ist eine Reihe von Faktoren in Betracht zu ziehen, wobei die Gestehungskosten häufig nicht an erster Stelle stehen, da der fortlaufende Wartungsaufwand schwerer zu Buch schlagen kann als die anfänglich durch die Wahl einer billigeren Lösung erreichte Kosteneinsparung. Die zuerst zu erwägenden Aspekte sind das Prozessmaterial selbst und seine Materialeigenschaften. Handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, einen Schlamm oder einen Feststoff? Welche Leitfähigkeit, Viskosität und Dichte hat das Material? Es könnte der für die Spezifikation verantwortlichen Fachkraft auch helfen, eine Beschreibung der Beschaffenheit des Prozessmaterials oder eine Materialprobe zur Auswertung bereitzustellen. Weitere in Betracht zu ziehende Aspekte sind die minimalen, normalen und maximalen Temperaturen und Drücke, das Material aus dem der Tank, der das Prozessmaterial aufnimmt, gefertigt ist sowie die die Frage, ob der Bereich, in dem die Messung erfolgt, als Gefahrenbereich eingestuft ist oder nicht. Neben all diesen Angaben ist es auch nützlich, eine Zusammenfassung der Hauptfunktion des Behälters und eine Zeichnung bereitzustellen, die seine Größe und Form sowie das Vorhandensein etwaiger störender Teile im Tankinnenraum aufzeigt.
Die Tiefe und Breite des von den gegenwärtigen Marktführern in der Sensortechnik erarbeiteten Erfahrungsschatzes ermöglicht ihnen, Lösungen für ein immer breiteres Spektrum von Problemen, die sich Ingenieuren beim Entwurf und der Entwicklung von Füllstandmesssystemen stellen, anzubieten. Mit der richtigen Spezifikation können Füllstandmesssensoren das effektive Management und die Optimierung technischer Anlagen in einer Vielzahl von Industrien ermöglichen, und die zunehmende Leistungsfähigkeit dieser Komponenten bietet Erstausrüstern ein großes Potential hinsichtlich der Nutzung der von leistungsstarken Standard- und anwendungsspezifischen Lösungen gebotenen Vorteile.
